Арида х абиевна оптимизация конструктивных решений устройств нижнего бьефа гидротехнических сооружений в условиях вихревого движения потока

УДК 626.823.54 На правах рукописи

Аубакирова Фарида хабиевна

Оптимизация конструктивных решений устройств нижнего бьефа гидротехнических сооружений в условиях вихревого движения потока

05.23.07 – Гидротехническое строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Республика Казахстан

г. Тараз, 2010г.

Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете им.М.Ауезова

Научный руководитель: д.т.н., профессор Волненко А.А.

Научный консультант: к.т.н., доцент Балгерей М.А.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Атаманова О.В.

к.т.н. Ким В.В.

Ведущая организация: Казахский национальный аграрный университет

Защита состоится «1» сентября 2010 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета ДО 14.14.01 при Таразском государственном университете им.М.Х.Дулати по адресу: 080003, г.Тараз, ул.К.Сатпаева, 28.

E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им.М.Х.Дулати по адресу: г.Тараз, ул.Толе-би, 58.

Автореферат разослан ________________2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Алимбаев Б.А.

Введение

Общая характеристика работы. В подавляющем большинстве неудовлетворительная работа гидротехнических сооружений вызвана деформациями и разрушениями конструкций нижнего бьефа, основными причинами которых являются недостаточно полное гашение избыточной кинетической энергии потока и неравномерность распределения удельных расходов. Для повышения надежности работы сооружений устанавливают гасители энергии, обеспечивающие наиболее благоприятные формы сопряжения бьефов при различных режимах работы сооружения, а также создающие условия для дополнительного успокоения потока.

Среди различных методов расчета гасителей энергии наибольшее распространение получила методика, где определяющим фактором является реактивное воздействие на поток. Однако при этом не учитывается вихревое взаимодействие турбулентных струй, образующихся при их обтекании.

Актуальность проблемы. Размывы за гидротехническими сооружениями представляют собой результат взаимодействия сооружения, потока и отводящего русла. Поэтому наиболее эффективной мерой защиты от местных размывов является создание рациональной конструкции устройства нижнего бьефа. Встречающиеся случаи размыва русла и аварийные подмывы сооружений свидетельствуют о недостаточной надежности существующих методов расчета сопряжения бьефов и оценки силового воздействия потока на гасящие устройства. Важность настоящих исследований обуславливается также тем, что стоимость устройств и креплений нижнего бьефа достигает порой до 50% стоимости всего сооружения.

Исследователями уделено много внимания разработке устройств, гасящих энергию потока и уменьшающих местные размывы за сооружениями. Однако исследования в этом направлении нельзя считать завершенными, разработка новых устройств нижнего бьефа с учетом особенностей конструкций и режимов работы сооружений, а также оптимизация конструктивных решений существующих гасителей энергии потока остаются актуальными задачами проектирования нижнего бьефа гидротехнических сооружений.

Работа выполнялась в соответствии с программой фундаментальных исследований МОН РК «Актуальные проблемы механики жидкости, газа и плазмы» по теме (шифр Ф.0257) «Аэрогидродинамические и физико-химические закономерности взаимодействия двухфазных турбулентных струй с дискретно расположенными и перфорированными преградами» на 2003-2005гг. и тематическим планом научно-исследовательских работ ЮКГУ им.М.Ауезова «Современное состояние водных ресурсов Южного Казахстана для хозяйственно-питьевого водоснабжения: проблемы и их решения» на 2007-2012гг.

Цель работы: разработка и расчет рациональных конструкций устройств нижнего бьефа гидротехнических сооружений на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований вихревого обтекания шашечных гасителей и рекомендаций по их проектированию.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- выявление механизмов образования, движения и взаимодействия вихрей, формирующихся при обтекании шашечных гасителей, имеющих различное компоновочное решение в нижнем бьефе сооружения;

- исследование коэффициента лобового сопротивления при обтекании шашечных гасителей с целью выявления оптимальных конструктивных параметров их размещения;

- разработка расчетных зависимостей для определения суммарной реакции шашечных гасителей с учетом механизма их вихревого обтекания;

- создание методики расчета шашечных гасителей энергии, устанавливаемых в нижнем бьефе гидротехнических сооружений, с учетом механизма взаимодействия вихрей, образующихся при их обтекании;

- разработка рекомендаций по размещению шашечных гасителей энергии на водобое сооружения, отвечающей требованиям надежности их работы и экономичности исполнения.

Основная идея и внутреннее единство работы. Основная идея заключается в использовании закономерностей вихревого взаимодействия потоков, образующихся при обтекании гасителей энергии, для оптимизации конструктивных решений устройств нижнего бьефа гидросооружений.

Результаты работы в виде теоретических и экспериментальных исследований гидродинамического воздействия шашечных гасителей на поток использованы для создания инженерной методики расчета шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания, рекомендаций по их проектированию, что подтверждает внутреннее единство выполненной работы.

Методы и объекты исследований. При выполнении работы использованы методы физического и математического моделирования изучаемых явлений, численные эксперименты.

Объектами исследования явились шашечные гасители энергии, размещаемые в нижнем бьефе гидротехнических сооружений.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований механизма взаимодействия вихрей выявлена возможность эффективного гашения избыточной кинетической энергии потока в нижнем бьефе, повышения отметки водобоя за счет уменьшения второй сопряженной глубины, что влечет за собой сокращение стоимости сооружения. Предложено оптимизировать конструкцию гасящего устройства за счет геометрических параметров размещения шашечных гасителей на водобое, при которых достигается синфазный режим вихреобразования, характеризующийся максимальным энергопотреблением и приводящий к значительному снижению кинетической энергии потока. Для этого:

- выявлены условия и обоснован механизм образования и взаимодействия вихрей в полупериодном и периодном режимах одновременного вихреобразования при обтекании шашечных гасителей;

- предложены уравнения для расчета степени взаимодействия вихрей, образованных за шашечными гасителями, расположенными вдоль и поперек

направления движения потока;

- с учетом выявленных гидродинамических закономерностей

взаимодействия вихрей получена расчетная зависимость суммарной реакции шашечных гасителей, учитывающая геометрические параметры и шаги расположения гасителей на водобое;

- предложено уравнение линий тока спутной струи между вихрями, образующимися при обтекании преграды;

- из условия минимума потерь напора на участке сопряжения предложено уравнение динамической оси потока при его внезапном симметричном расширении;

- получена зависимость, связывающая реакцию гасителей с величиной уменьшения второй сопряженной глубины гидравлического прыжка, которая может использоваться при расчете гасителей энергии в случае отсутствия сбойного течения в нижнем бьефе.

Научные положения, выносимые на защиту:

- физическая модель образования, движения и взаимодействия вихрей при обтекании шашечных гасителей энергии призматической формы, расположенных в нижнем бьефе сооружения в несколько рядов;

- уравнения для расчета степени взаимодействия вихрей в продольном и поперечном направлениях течения потока;

- зависимость суммарной реакции шашечных гасителей от геометрических параметров их местоположения на водобое;

- уравнение линий тока спутной струи между вихрями, образующимися при обтекании преграды;

- уравнение динамической оси потока при внезапном симметричном расширении потока;

- зависимость реакции гасителей от величины уменьшения второй сопряженной глубины гидравлического прыжка;

- методика расчета и рекомендации по размещению шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, базирующихся на научных открытиях закономерностей вихревого движения потоков в области механики жидкости и газа, полностью подтверждены результатами собственных исследований, полученных на лабораторной установке с использованием современных методов и приборов, а также сопоставлением с литературными данными.

Практическая ценность работы. Разработана методика расчета и рекомендации по проектированию шашечных гасителей энергии гидротехнических сооружений, в основу которых положены результаты экспериментальных и теоретических исследований их вихревого обтекания.

Апробация практических результатов. Методика расчета шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания внедрена в ТОО «Проект-А» для реконструкции существующих и разработки новых конструкций устройств нижних бьефов гидротехнических сооружений.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях: «Ауезовские чтения-4» (Шымкент, 2004); «Проблемы водного хозяйства», посвященной 95-летию академика Р.Ж.Жулаева (Тараз, 2006); «Процессы, машины и аппараты промышленных технологий» (Шымкент, 2006); «Ауезовские чтения-8» (Шымкент, 2009); «Экология и жизнь» (Пенза, 2010), а также опубликованы в журналах «Наука и образование Южного Казахстана», «Поиск», «Природопользование и проблемы антропосферы».

Личный вклад автора состоит в разработке новой методики расчета шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания, рекомендаций по их проектированию, анализе и обобщению литературных данных, выводов и заключений.

Основная часть

Во введении дана оценка современного состояния решаемой научной проблемы, основание и исходные данные для разработки темы, обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы, сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки и метрологическом обеспечении диссертации, актуальность и новизна темы, связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами, цель, объект и предмет, задачи исследования, методологическая база, положения, выносимые на защиту, практическая ценность и апробация практических результатов.

В первом разделе диссертации дан анализ современного состояния изученности вопроса и определены задачи дальнейших исследований. Рассмотрены гидравлические явления в нижнем бьефе гидросооружений, где отмечено, что на участке сопряжения бьефов происходит превращение большого количества потенциальной энергии в кинетическую. Гашение этой энергии осуществляется как посредством гидравлического прыжка, возникающего при переходе от бурного течения к спокойному в нижнем бьефе, так и при помощи установки разнообразных энергогасящих конструкций.

При сопряжении бьефов посредством гидравлического прыжка могут иметь место разные его формы, в качестве основной формы сопряжения бьефов обоснован и принят донный прыжок.

Выполнен анализ работ по изучению гасителей энергии, определены общие подходы к расчетному обоснованию гасящих устройств в нижнем бьефе сооружений, отмечено преимущественное использование величины реакции в качестве оптимального критериального условия их расчета.

Исследования гасителей энергии проводились во многих ведущих российских учреждениях (НИС Гидропроекта, ВНИИГ, ВОДГЕО, МИСИ, МГМИ), украинских институтах (УкрНИИГиМ), организациях и университетах США (Бюро мелиорации), учебных и исследовательских институтах Великобритании, Индии, Канады и других стран.

Рассмотрены результаты исследования гидродинамического воздействия

потока на гасители и их реакции. Согласно формуле Ньютона, чтобы определить реакцию гасителя, нужно знать коэффициент лобового сопротивления гасителя и скорость набегания потока на него. На изучение этих параметров были направлены усилия исследователей.

Большое число экспериментальных исследований по определению реакций различных гасителей энергии проведены учеными, среди которых следует отметить Н.П.Розанова, Н.Н.Пашкова, Г.А.Юдицкого, А.Н.Рахманова, Т.П.Проворову, Д.Баско и Дж.Адамса, С.К.Гомасту, К.Г.Ранга-Райю и других. Результаты этих исследований представились в виде функциональных зависимостей от ряда безразмерных параметров:

, (1)

, (2)

В связи с тем, что гасители энергии не только гасят избыточную энергию потока, но и предотвращают или уменьшают сбойность потока в нижнем бьефе, то приведены результаты исследований сбойных течений некоторых ученых, среди которых И.И.Леви, Н.Н.Беляшевский, Ф.Г.Гунько, О.И.Якушкина, В.С.Чехонадских, Н.Г.Боумик и другие.

Обтеканию различных тел посвящено большое количество теоретических работ и экспериментальных исследований, авторами которых являются О.Флаксбарт, А.Том, И.Г.Ханович, Д.В.Штеренлихт, И.М.Робертсон и другие. Так как шашечные гасители энергии представляют собой призматические преграды различной формы, то их можно аппроксимировать простейшими геометрическими телами. Отмечено, что характер обтекания и границы вихревой зоны зависят от режимов обтекания преград.

Среди казахстанских ученых, занимавшихся исследованиями в данных областях, следует выделить Р.И.Вагапова, А.А.Абдураманова, Р.Х.Дуйсенову, М.А.Балгерея, Б.Д.Шинибаева.

В конце раздела обоснован выбор исследуемых конструкций нижнего бьефа. Т.к. наиболее мощное реактивное, диссипационное и распределительное воздействия на поток оказывают шашечные гасители энергии, а также простота их изготовления и монтажа, широкий диапазон применения способствовали выбору именно их в качестве исследуемых конструкций нижнего бьефа. Форма шашечных конструкций рассматривалась двух видов: с плоской напорной (лобовой) гранью – тип І и с клиновидной лобовой гранью - тип ІІ.

Во втором разделе рассмотрены особенности влияния вихрей, образующихся при обтекании неподвижного тела, на частицы окружающего потока. Предложено уравнение линий тока спутной струи между вихрями, образующимися при обтекании тела, которое графически представляет собой волнистую линию. Если над одним рядом вихрей, разместить другой ряд вихрей с противоположным направлением вращения, то линии тока окажутся искривлёнными в противоположную сторону. Поток между двумя рядами вихрей будет состоять из чередующихся участков сужений и расширений. Узловатость потока будет тем более сглаженной, чем больше один из рядов вихрей (до определённого предела) будет смещён относительного другого. Методом вариационного исчисления выявлено, что это смещение составляет половину расстояния между вихрями. В этом случае приращение количества движения, обусловленное расширением и сжатием струи под воздействием вихрей принимает минимальное значение, что соответствует варианту с шахматным размещением вихрей.

При обтекании твердых тел потоком часто встречаются случаи его планового расширения, когда поток сжат сооружением с боков (за гидротехническими сооружениями на каналах). При этом неравномерность распределения удельных расходов по ширине русла может наблюдаться в нижнем бьефе на значительном расстоянии от сооружения. Из условия обеспечения минимума потерь напора на участке сопряжения бьефов установлена форма динамической оси потока в случае двустороннего симметричного сжатия потока сооружением:

(3)

Из уравнения (3) следует, что участок сопряжения состоит из двух частей, т.е. динамическая ось потока криволинейна. Это означает, что при симметричном сжатии потока сооружением, растекание за ним в плане происходит преимущественно одностороннее.

Третий раздел посвящен исследованию процесса обтекания потоком шашечных гасителей энергии. Дана методика проведения экспериментальных исследований и описана лабораторная установка.

Эксперименты выполнены в аэродинамической трубе незамкнутого типа с закрытой рабочей частью. Испытываемая модель шашечного гасителя представляла собой «дренированную» призматическую преграду квадратного поперечного сечения. Для определения эпюры нагрузки на грани модели использовался пьезометрический метод.

Скорость потока измерялась трубкой Пито, температура воздуха - лабораторным ртутным термометром.

Значения коэффициента лобового сопротивления CD вычислялись по формуле

, (4)

В ходе проведения исследований изменялись расстояния между преградами одного ряда bo=(0,252)b и междурядное расстояние (27)b.

В целях подтверждения достоверности полученных результатов была осуществлена оценка точности проведенных измерений. Установлено, что предельные относительные ошибки находятся в приемлемых диапазонах.

Для определения функциональной связи коэффициента CD и числа Рейнольдса, а также с целью исключения Re из зависимости (1) проведены специальные экспериментальные исследования обтекания шашечных гасителей. В качестве критерия моделирования использовалось динамическое подобие между моделью и натурным объектом по числам Струхаля и Рейнольдса

(5)

Выявлено, что для рассматриваемых шашечных гасителей смена ламинарного режима обтекания турбулентным происходит в диапазоне Re=(0,8…1,0)104 для I типа и Re=(1,0…1,2)104 для II типа шашечных гасителей, что хорошо согласуется с данными других исследователей.

Проведены исследования обтекания потоком одиночных шашечных гасителей. Результаты исследования коэффициентов лобового сопротивления показали, что наличие острых граней приводит к более строгому распределению коэффициентов сопротивления во взаимно перпендикулярных плоскостях. Отмечено, что коэффициенты лобового сопротивления одиночного шашечного гасителя II типа имеют меньшие значения, чем у гасителя I типа, что объясняется его формой. Полученные значения CD подтверждаются данными других исследователей.

Для изучения закономерностей обтекания шашечных гасителей, расположенных поперек движению потока были исследованы системы шашек, состоящие из трех и девяти элементов. Изменяемыми параметрами были скорость потока и относительная ширина шашки . Измеряемым параметром – давление, далее вычислялся CD и строились эпюры значений коэффициентов лобового сопротивления по граням шашечного гасителя.

На рисунке 1 представлены результаты исследований испытываемой модели, находящейся в середине системы из девяти элементов и окруженной со всех сторон аналогичными шашками. При этом относительная ширина шашки изменялась в пределах =0,33; 0,5; 0,7, а относительное расстояние между рядами гасителей оставалось постоянным и составляло .

=0,33 =0,5 =0,7

Рисунок 1 – Значения коэффициентов лобового сопротивления

шашечного гасителя в системе из девяти элементов

Из рисунка 1 можно заметить, что CD существенно изменяется при =0,7. На лобовой грани наблюдаются отрицательные значения коэффициента сопротивления, CD снижается до -0,5. На боковых гранях происходит снижение CD до -0,4 в сравнении с одиночно обтекаемой преградой, для которой CD составляет 0,6. Уменьшение относительной ширины гасителя до =0,5 приводит к тому, что значения CD по всем граням приближаются к значениям для одиночно обтекаемых преград. Дальнейшее уменьшение относительной ширины гасителя существенных изменений в распределении коэффициентов лобового сопротивления по граням не вызывает.

Результаты проведенных исследований показали, что относительная ширина гасителя =0,5 является критической. При ее увеличении усиливается взаимовлияние преград между собой, скорости потока в зазорах возрастают, и давление, а, следовательно, и коэффициенты лобового сопротивления также возрастают. Достижение =0,5 приводит к стабилизации картины обтекания, которая приближается к одиночно обтекаемой преграде и в дальнейшем практически не изменяется.

Проведенные исследования влияния относительной ширины гасителя на коэффициент лобового сопротивления показывают, что CD с ростом возрастает (рисунок 2).

Механизм образования и срыва вихрей с шашечных гасителей энергии можно трактовать следующим образом: при >0,5 частоту образования и срыва вихрей определяет расстояние между шашками bО (зазор), а при <0,5 - размер самих шашек b (ширина).

Из условия устойчивости движения параллельных вихревых струй следует, что коэффициент, характеризующий степень взаимодействия вихрей в поперечном потоку направлении и учитывающий изменение частоты вихреобразования, можно вычислить следующим образом

, (6)

Результаты расчета по уравнению (6) представлены на рисунке 3.

, v=5м/с

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента Рисунок 3 – Зависимость

лобового сопротивления шашечных степени взаимодействия вихрей

гасителей от относительной ширины от относительной ширины

шашечного гасителя

При изучении закономерностей обтекания шашечных гасителей, расположенных по направлению потока, проведен комплекс исследований обтекания систем преград из двух, трех и девяти элементов. Результаты исследований представлены на рисунке 4.

На рисунке 4а,б,в даны результаты исследований коэффициентов сопротивления первой по течению потока шашки (система из двух элементов), на рисунке 4г,д,е - второй шашки.

Из рисунка 4 видно, что при =2, за первым гасителем изменение CD по граням примерно соответствует одиночно обтекаемой преграде, тогда как за вторым гасителем (рисунок 4г) на передней грани значения CD соответствуют величине, полученной для тыльной грани первого гасителя. Это свидетельствует о том, что при =2 обтекание системы из двух элементов осуществляется как одной преграды. Увеличение до 3

приводит к тому, что две шашки, расположенные друг за другом по потоку, являются самостоятельными источниками вихреобразования, однако влияние впередистоящей шашки сказывается на величине CD2 для лобовой грани второй шашки, которая равна -0,6. Дальнейшее увеличение относительного расстояния между рядами гасителей до =4 приводит к тому, что два гасителя формируют вихри независимо друг от друга.

Известно, что при обтекании преград различных геометрических форм возможно достижение режима одновременного вихреобразования (синфазный режим), сопровождающийся повышенным энергопотреблением. Наступление такого режима происходит в том случае, когда время формирования вихрей за

цепочкой твердых тел, расположенных по течению потока совпадает со

а) =2 б) =3 в) =4

г) =2 д) =3 е) =4

Рисунок 4 – Значения коэффициентов лобового сопротивления

шашечных гасителей в системе из двух элементов

временем движения вихрей от одного тела к другому. Согласно результатам исследований, для шашечных гасителей квадратного поперечного сечения

полупериодный режим одновременного вихреобразования наступает при =3, периодный режим – при =6 (рисунок 5).

Для определения степени взаимодействия вихрей, образующихся при обтекании шашек, расположенных по потоку введено понятие величины сдвига в моментах образования вихрей, обозначаемое как коэффициент . Физический смысл этой величины заключается в установлении доли полностью сформировавшихся вихрей в общем числе вихрей, образующихся за цепочкой последовательно расположенных обтекаемых тел.

, (7)

Снижение скорости движения вихрей в потоке учитывается коэффициентом mk, который вычисляется по формуле

, (8)

В среднем, пределы непрерывного изменения для системы регулярно размещенных шашек имеют значения от 0,85 до 1. При =1 реализуется режим одновременного вихреобразования (синфазный режим) и наблюдаются максимальные значения сопротивления на кривой (рисунок 5).

Графически зависимость для шашечных гасителей с несимметричным вихреобразованием представлена на рисунке 6.

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента Рисунок 6 – Зависимость коэффи-

сопротивления шашечных гасителей от циента от относительного рас-

относительного расстояния между стояния между рядами шашеч-

рядами ных гасителей

В ходе экспериментальных исследований рассматривалось обтекание системы шашечных гасителей II типа, состоящей из девяти элементов. В данном случае характерным размером, служащим для определения критических шагов расположения гасителей, служило миделево сечение. Исследования показали, что закономерности, установленные для шашечных гасителей I типа, сохраняются и для гасителей II типа. Однако значения CD для гасителей II типа имеют меньшие значения, что объясняется скользящим эффектом их обтекания.

В четвертом разделе дано расчетное обоснование конструкции гасящего устройства с учетом их вихревого обтекания потоком. С учетом выявленных гидродинамических закономерностей взаимодействия вихрей получена зависимость проекции суммарной реакции шашечных гасителей

, (9)

Коэффициент сопротивления учитывает степень взаимодействия вихрей в продольном и поперечном направлениях к потоку:

(10)

Порозность шашечных гасителей определится по формуле

(11)

При шаге расположения шашечных гасителей соответствующего синфазному режиму обтекания формула (9) примет вид

(12)

Предложено уравнение, учитывающее взаимосвязь между необходимой величиной суммарной реакции гасителей и величиной недостаточности глубины нижнего бьефа для затопления прыжка h=h2’-hб, которым можно пользоваться в случае отсутствия сбойности потока:

(13)

здесь ВНБ=Во; А=gBo2; Б=2gBo2

Сравнивая , рассчитанную по формуле (13), с минимально необходимой величиной суммарной реакции гасителей Rx’, определенной по методу И.А.Шеренкова, можно установить возможность возникновения сбойного течения в нижнем бьефе. В случае <, поток при растекании теряет устойчивость и возникает сбойность.

Разработаны методика расчета шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания и рекомендации по их размещению. Учет природы формируемых вихрей при обтекании шашечных гасителей и их взаимодействие между собой будет способствовать снижению негативного влияния избыточной энергии потока и даст возможность разработать оптимальную конструкцию устройства нижнего бьефа.

Заключение

Краткие выводы по результатам исследований

1. Анализ отечественной и зарубежной литературы показал необходимость оптимизации конструкций устройств нижнего бьефа на основе выявления механизма их обтекания потоком, что влияет на повышение надежности работы гидросооружений. Необходимо также усовершенствование методики расчета таких конструкций.

2. При симметричном сжатии потока сооружением в плане выявлено, что растекание за ним происходит преимущественно одностороннее, т.к. этому варианту соответствуют наименьшие потери напора.

3. Проведены экспериментальные исследования коэффициента лобового сопротивления шашечных гасителей. Выявлено, что автомодельность коэффициента сопротивления шашечных гасителей наступает при Re(0,8 …1,2).104.

4. Экспериментально исследована зависимость коэффициента лобового сопротивления шашечных гасителей от ее относительной ширины. Выявлено критическое значение этого параметра равное =0,5. Экспериментально подтверждено, что при <0,5 характерным размером, определяющим частоту срыва вихрей, является ширина обтекаемого гасителя, а при >0,5 - расстояние между гасителями одного ряда.

5. Экспериментально исследована зависимость коэффициента лобового сопротивления шашечных гасителей от относительного расстояния между рядами гасителей. Согласно результатам исследований при обтекании шашечных гасителей определено, что возможно дважды достичь синфазный режим вихреобразования: полупериодный режим наступает при относительном расстоянии между рядами равном утроенной ширине гасителя, периодный режим – при расстоянии между рядами равном ширине шашки увеличенной в шесть раз. Синфазный режим вихреобразования, характеризующийся повышенным энергопотреблением, уменьшает величину избыточной энергии потока.

6. В результате решения уравнения количества движения получена зависимость, связывающая реакцию гасителей, располагаемых на водобое, с величиной уменьшения второй сопряженной глубины гидравлического прыжка. Эта зависимость может использоваться при расчете гасителей энергии, когда отсутствует сбойность течения в нижнем бьефе.

7. Предложена расчетная зависимость для определения суммарной реакции шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания потоком.

8. В результате проведенных исследований разработана научно-обоснованная методика расчета и рекомендации по размещению шашечных гасителей на водобое. Эта методика дает возможность проектировщику установить наличие или отсутствие сбойности потока в нижнем бьефе, определить основные размеры устройств, а также геометрические параметры размещения гасителей на водобое, которые обеспечат более полное гашение энергии потока и предотвратят возникновение сбойных течений.

Методика расчета шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания внедрена в ТОО «Проект-А» для проектирования новых и реконструкции существующих устройств нижних бьефов гидротехнических сооружений.

Оценка полноты решений поставленных задач. Результаты существующих теоретических и экспериментальных исследований, их оценка, экспериментальное изучение закономерностей образования и взаимодействия вихревых потоков, формирующихся за шашечными гасителями при их обтекании, полностью соответствуют поставленным в диссертации задачам.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты исследования гидродинамического воздействия шашечных гасителей на поток, методика расчета, рекомендации по компоновке шашечных гасителей с учетом их вихревого обтекания могут быть рекомендованы научным, инженерно-техническим работникам водохозяйственной отрасли, проектным и научно-исследовательским институтам для оптимизации конструктивных решений существующих устройств нижних бьефов гидросооружений при их реконструкции и разработки новых при их проектировании, преподавателям вузов при изучении курсов «Гидротехнические сооружения», «Гидравлика сооружений».

Исходными данными по конкретному использованию результатов являются: расчетный расход сооружения, отметки уровней верхнего и нижнего бьефов, дна нижнего бьефа, ширина водобоя, нижнего бьефа, водосливного фронта сооружения.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Методика расчета шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания внедрена в ТОО «Проект-А» для реконструкции существующих и разработки новых конструкций устройств нижних бьефов гидротехнических сооружений.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной отрасли. Шашечные гасители энергии, запроектированные с учетом механизма взаимодействия струй при их обтекании, в сравнении с известными конструкциями устройств нижнего бьефа имеют более высокую эффективность в гашении избыточной кинетической энергии потока и сравнительно низкие материальные затраты. Методика расчета шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания базируется на известных законах механики жидкости и газа, и вновь открытых закономерностях вихревого взаимодействия потоков, что свидетельствует о высоком научном уровне выполненной работы.

Условные обозначения: CD – коэффициент лобового сопротивления гасителя; RX1 – реакция гасителя, Н; P2 –сила давления со стороны нижнего бьефа, Н; hГ – высота гасителя, м; hс –глубина в сжатом сечении, м; h2 – вторая сопряженная глубина прыжка, м; Re – число Рейнольдса; St – число Струхаля; b – ширина шашки, м; bО – расстояние между шашками одного ряда (зазор), м; - относительная ширина гасителя; LX1 – расстояние от сжатого сечения до гасителя первого ряда, м; - расстояние между рядами шашек, м; – коэффициент, учитывающий степень взаимодействия вихрей; с – опытный коэффициент; - коэффициент сопротивления; - порозность гасителей; - суммарная реакция гасителей, Н; - минимально необходимая суммарная реакция гасителей, Н; – площадь поперечного сечения гасителя, м2; n - число гасителей одного ряда; m – число рядов гасителей; ВВОД – ширина водобоя, м; Q – расход жидкости, м3/с.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1 Шинибаев Б.Д., Аубакирова Ф.Х., Серикбаев Т.С. Исследование сопряжения спокойных потоков //Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2004. - №2(37). - С.68-71.

2 Аубакирова Ф.Х., Шинибаев Б.Д. Особенности обтекания неподвижных тел при малых числах Рейнольдса // Труды междунар.научно-практич.конф. «Ауезовские чтения-4». – Шымкент, 2004. – Т.9. – С.21-24.

3 Аубакирова Ф.Х., Волненко А.А. Сопряжение потоков различной кинетичности //Материалы междунар.научно-практич.конф. «Проблемы водного хозяйства», посвященной 95-летию академика Р.Ж.Жулаева. - Тараз, 2006. - С.165-169.

4 Корганбаев Б.Н., Волненко А.А., Раматуллаева Л.И., Аубакирова Ф.Х. Влияние компоновочных решений расположения сооружений на коэффициенты аэродинамического сопротивления //Труды междунар. научно-практич.конф. «Процессы, машины и аппараты промышленных технологий», посвященной 50-летию кафедры МАХП. - Шымкент, 2006. - С.212-215.

5 Аубакирова Ф.Х., Волненко А.А. Характеристики лобового сопротивления шашечных гасителей энергии // Наука и образование Южного Казахстана. – Шымкент, 2009. - №5(78). - С.73-76.

6 Аубакирова Ф.Х., Волненко А.А. Зависимость коэффициента лобового сопротивления шашечных гасителей энергии от кавитации //Труды междунар.научно-практич.конф. «Ауезовские чтения-8: Научные достижения -основа культурного и экономического развития цивилизации». - Шымкент, 2009. – Т.6.- С.241-246.

7 Аубакирова Ф.Х., Волненко А.А. Исследование влияния относительной ширины шашечного гасителя на коэффициент лобового сопротивления //Поиск. – Алматы, 2010. - №1. - С.307-311.

8 Аубакирова Ф.Х., Волненко А.А. Расчет реактивного воздействия шашечных гасителей энергии с учетом их вихревого обтекания //Сборник статей XVIII междунар. научно-практич.конф. «Экология и жизнь». - Пенза, 2010. – С.17-19.

9. Аубакирова Ф.Х., Волненко А.А., Балгерей М.А. Влияние геометрических параметров размещения шашечных гасителей на коэффициент лобового сопротивления // Природопользование и проблемы антропосферы. – Тараз, 2010. - №1. – С.341-346.

10. Аубакирова Ф.Х., Волненко А.А., Балгерей М.А. К расчету шашечных гасителей энергии // Природопользование и проблемы антропосферы. – Тараз, 2010. - №1. – С.347-352.

ТЙІН

Аубакирова Фарида Хабиызы

«Аынды йынды озалыс жадайында гидротехникалы рылымдарды тменгі бьефіндегі ондырыларды конструктивтік шешімдерін отайландыру»

Техника ылымдарыны кандидаты ылыми дрежесін іздену диссертациясы

05.23.07 –Гидротехникалы рылыс

Зерттеу немесе зірлеу нысаны - гидротехникалы рылымдар тменгі бьефінде орналасан дойбылы энергия бседеткіштері.

Жмыс масаты: Гидротехникалы рылымдар тменгі бьефіні тымды конструкцияларын дойбылы энергия бседеткіштерді йын трізді айналып ауын теориялы жне эксперименталды зерттеу нтижелеріні негізінде деу мен есептеу жне оларды жобалауа сыныс беру.

Жмысты жргізу дістері немесе діснамасы. Жмысты орындау барысында зерттеліп отыран былыстарды біратар йлестік критерийлер мен санды эксперименттерді сатау негізінде іске асырылатын физикалы жне математикалы модельдеу дістері олданылады.

Жмыс нтижелері:

- дойбылы бседеткіштерді айналып ту барысында барынша кп энергия ажеттілігімен сипатталатын жне аынны кинетикалы энергиясын едуір тмендетуге келіп соатын бір мезгілде йын пайда болуды жартылай кезеді жне кезеді тртіптерінде йындарды пайда болу жне рекеттесу механизмі негізделді жне шарттары айындалды;

- йындарды рекеттесуіні айындалан гидродинамикалы задылытарын есепке ала отырып бседеткіштерді млшері мен су соышта орналасу адамдарын ескеретін дойбылы бседеткіштерді жиынты реакциясы есептік туелділігі аныталды;

- ткелді айналып ау кезінде пайда болатын йындар арасында айырылмас аысты йылыс сызыыны тедеуі алынды;

- штасу тармаында тегеурін шыыныны е тмен болуы жадайында аынны кенеттен симметриялы кееюі кезіндегі динамикалы сіні тедеуі шыарылды;

- тменгі бьефте жаылу аыны болмаан жадайда энергия бседеткіштерін есептеу шін пайдалануа болатын гидравликалы шапшыманы екінші байланысан тередігіні азаю шамасын бседеткіштерді реакциясымен байланыстыратын туелділік алынды;

- дойбылы энергия бседеткіштерді оларды йын трізді айналып ауын есепке ала отырып орналастыруа сыныстар жне есептеу дістемесі жасалды.

Негізгі конструктивті, технологиялы жне технико-пайдалану сипаттамалары.

Аын параметрлеріні згеру аралыы: Рейнольдс сандары Re=(1,4…20)104; рылымды параметрлері: призма тріндегі шаршы клдене ималы жазы тегеурінді немесе сына трізді ыры бар дойбылы бседеткіштер; дойбылы бседеткішті салыстырмалы ені =0,5, салыстырмалы атараралы ара ашытыы =3.

Енгізу дрежесі. йын трізді айналып ауын ескере отырып дойбылы бседеткіштерді есептеу дістемесі «Проект-А» ЖШС-нде олданымдаы рылымдарды айта руа жне гидротехникалы рылымдарды тменгі бьефіндегі одырыларыны жаа конструкцияларын жасауа енгізілді.

Енгізуге сыныстар немесе ылыми-зерттеу жмыстарыны енгізу нтижесі. Дойбылы бседеткіштерді аына гидродинамикалы серіні зерттеу нтижелері, есептеу дістемесі, дойбылы бседеткіштерді йын трізді айналып ауын есепке ала отырып гидротехникалы рылымдарды дойбылы бседеткіштерін ттастыруа сыныстар, су шаруашылы салаларындаы ылыми, инженер-техникалы ызметкерлерге, жобалау жне ылыми-зерттеу институттарына гидрорылымдарды тменгі бьефіні олданымдаы рылымдарды отайландыру барысында оларды айта ру шін жне тменгі бьефті жаа конструкцияларын жете зерттеуде, жоары оу орындарыны оытушыларына тиісті курстарды зерделеуде сынылуы ммкін.

олдану саласы. Гидротехникалы рылымдарды тменгі бьефтеріндегі ондырылар.

Жмысты экономикалы тиімділігі немесе маыздылыы. Дойбылы бседеткіштерді йын трізді айналып ауын ескере отырып орналасуы шапшыманы екінші байланысан тередік мніні 48%-а тмендеуіне байланысты су соышты дегейін жоарылатуа ммкіндік береді.

Зерттеу нысанын дамыту жніндегі жорамалды сыныстар. Дойбылы бседеткіштерді су соышта йын трізді айналып ауын ескере отырып орналасуы оларды энергия ажеттілігін жоарылатуа кеп соатын синфазды тртіппен айналып ауына ммкіндік береді жне тменгі бьефтердегі белгілі кондырыларды конструкцияларымен салыстыранда аынны арты кинетикалы энергиясын сндіруде тиімділігі те жоары жне салыстырмалы трде материалды шыындары аз. Осыан орай тменгі бьефтердегі ондырыларды мндай растырылуыны ке таралу болашаы бар.

RESUME

Aubakirova Farida Habievna

«Optimization of constructive solutions of afterbay devices of hydraulic structures in the conditions of turbulent flow»

Thesis for the degree of candidate of science

on the specialty 05.23.07 – Hydraulic engineering

Object of the research: baffle blocks, located in afterbay of hydraulic structures.

Aim of the research: development and calculation of rational constructions of afterbay of hydraulic structures on the basis of results of theoretical and experimental research of turbulent flow of baffle blocks and recommendations on their designing.

Methods and methodology of carrying out work. At carrying out the research methods of physical and mathematical modeling of the studied events, which are realized on the basis of observance of analogy parameters, numerical experiments.

Results of the research:

- conditions and mechanism of formation and interaction of eddies in half-period and period modes of simultaneous eddy formation at flow of baffle blocks, which are characterized by maximum energy consumption and led to significant reduction of flow kinetic energy, were proved;

- on the basis of the revealed hydro-dynamic rules of eddies interaction the calculation dependence of projection of overall reaction of baffle blocks, which takes into account the size and step of location of baffle blocks at downstream apron, was accepted;

- the equation of flow lines of distrail between eddies, which are formed at flow of barrier, was established;

- from the conditions of minimum of head losses at the transition tube the equation of dynamical axis of flow at its sudden symmetric expansion was accepted;

- the dependence, connected the reaction of baffle blocks with value of decreasing second conjugate depth of hydraulic jump, was determined. This dependence may be used at calculation of baffle blocks in the case of absence of tidal bore in the afterbay;

- methods of calculation and recommendations on location of baffle blocks with account of their turbulent flow were developed.

Basic constructive, technological and operating characteristics.

Range of changing parameters of flow: Reynolds number Re=(1.4…20)104; constructive parameters: baffle blocks of prismatic form with square cross section and flat upstream or cuneal (frontal) face, width ratio of baffle block =0.5, relative row-width spacing .

Level of implementation. Methods of calculation of baffle blocks with account of their turbulent flow were implemented at “Project-A” ltd for reconstruction of current and development of new devices of afterbays of hydraulic structures.

Recommendation on the implementation or results of implementation of scientific-research work. Results of studying hydro-dynamic influence of baffle blocks on flow, methods of calculation, recommendations on arrangement of baffle blocks of hydraulic structures with account of their turbulent flow may be recommended to scientific, engineering and technical workers of hydroeconomic branch, project and scientific-research institutes for optimization of current devices of afterbay of hydraulic structures at their reconstruction and development of new devices of afterbays, also to instructors of higher educational institutions at studying the corresponding disciplines.

Field of the application: devices of afterbays of hydraulic structures.

Economical efficiency or significance of the research. Location of baffle blocks on downstream apron with account of their turbulent flow allows to increase the level of downstream apron by means of reducing value of second conjugate depth of hydraulic jump on 48%.

Prognostic assumptions about development of the research object. Location of baffle blocks on downstream apron with account of their turbulent flow allows to achieve the in-phase condition of their flow-around, which is accompanied by the increased energy consumption, and comparing with known constructions of devices of afterbay, baffle blocks have higher efficiency in the dissipation of excess kinetic energy of flow and relatively low material costs. In connection with this, such designing of devices of afterbays has wide perspectives for distribution.

Подписано в печать 14.07.2010 г.

Формат 60х80 1/16. Уч-изд. л.1,1. Усл. п. л. 1,2.

Тираж 100. Заказ 236.

Издательство «Тараз университеті»

ТарГУ им. М.Х. Дулати

080012, г. Тараз ул. Толе би, 60.