Гидравлические исследования поворотно-сопрягающих водопропускных сооружений с закруткой потока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат технических наук Карлос Энрике Морено Падилья

• Карлос Энрике Морено Падилья
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карлос Энрике Морено Падилья

ВВЕДЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА I. Обзор существующих водопропускных поворотных сооружений и конструкций с закруткой потока.

1.1. Анализ существующих поворотных водопропускных сооружений.

1.2. Предложение по использованию закрученных потоков в по-воротно-сопрягающих водопропускных сооружениях.

1.3. Существующие конструкции водопропускных сооружений с закруткой потока.

1.4. Гидравлические характеристики и особенности закрученных потоков.

1.5. Теоретические исследования закрученных потоков вязкой жидкости.

1.6. Распределение скоростей и давления в закрученных потоках.

1.7. Безразмерные характеристики закрученных потоков.

1.8. Гидравлическое сопротивление и поверхностное трение в закрученных потоках.

1.9. Взаимодействие закрученных потоков в водосбросных сооружениях.

1.10. Цель и задачи исследований.

ГЛАВА II. Методика проведения исследований, моделирование и обработка экспериментальных данных.

2.1. Модель сооружения.

2.2. Экспериментальная установка.

2.3. Гидравлическое моделирование.

2.4. Методика проведения эксперимента.

2.5. Последовательность эксперимента.

2.6. Геометрическая характеристика тангенциального завихрителя.

ГЛАВА III. Результаты экспериментальных исследований.

3.1. Визуальная картина течения в поворотно-сопрягающем сооружении с закруткой потока.

3.2. Гидравлические условия входа в сооружение.

3.3. Характеристики тангенциального завихрителя.

3.4. Установление длины камеры гашения.

3.5. Выбор длины участка безнапорного отвода.

3.6. Эпюры скорости в отводящем канале.

3.7. Гидравлическое сопротивление и изменение удельной энергии по оси сооружения.

3.8. Гипотеза о гидравлических процессах в камере гашения.

3.9. Распределение давления на элементы сооружения.

3.10. Оценка эффективности работы поворотно-сопрягающего сооружения.

3.11. Выводы по главе III.

ГЛАВА IV. Гидравлический расчет поворотно-сопрягающего сооружения.

4.1. Задачи гидравлического расчета.

4.2. Определение пропускной способности.

4.3. Расчет тангенциального завихрителя.

4.4. Определение основных геометрических размеров сооружения.

4.5. Гидравлическое сопротивление.

4.6. Расчетные критерии эффективности работы сооружения.

4.7. Последовательность расчета.

4.8. Пример расчета.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидравлические исследования поворотно-сопрягающих водопропускных сооружений с закруткой потока»

Актуальность. В настоящее время строятся оросительные системы во многих странах мира, в том числе в Колумбии, гражданином которой является автор диссертации.

Важным элементом оросительной системы является магистральный канал, подающий воду от источника орошения на орошаемые земли.

При проектировании и строительстве каналов применяются поворотные сооружения, конструкции которых в большей мере отвечают требованиям пропуска потоков со спокойным режимом движения. В условиях предгорного рельефа и больших уклонов местности магистральные каналы характеризуются бурными течениями с уклонами каналов О,ОНО,08; длиной 5,0- 15,0 км, скоростью потока - 1,5-И 5 м/с, и числами Фруда - 2-Н5 и более.

Бурные режимы течения и извилистость канала накладывает отпечаток на конструкции водопропускных сооружений, включая поворотные и сопрягающие сооружения. Сложность осуществления поворота канала с бурным течени-' ем вызывает необходимость разработки различных решений, позволяющих осуществлять поворот бурного потока.

Применяемые для рассматриваемых условий поворотные сооружения [7] имеют ряд недостатков: выплескивание (выброс) воды за борт сооружения; появление сбойного течения в канале за поворотом, распространяющееся на значительное расстояние; уменьшение пропускной способности на 20-50%; необходимость устройства отдельных (дополнительно с поворотным) перепад-ных сопрягающих сооружений для гашения избыточной энергии потока; отсутствие возможности регулирования скорости потока на выходе из поворотного сооружения.

Повороты канала целесообразно осуществлять по ломанной в плане трассе. Это придает земельным массивам необходимую форму и повышает коэффициент земельного использования. Однако на практике поворот канала по данному принципу не получил широкого развития из-за отсутствия требуемых конструкций.

В связи с изложенным, схемы с прямолинейными в плане участками канала в комплексе с сосредоточенными поворотно-сопрягающими водопропускными сооружениями представляют практический интерес, а разработка и исследование таких сооружений является актуальной задачей.

В данной работе автором диссертации в соавторстве с д.т.н. Б.А. Животовским, к.т.н. H.H. Розановой и к.т.н. В.Б. Родионовым предложена конструктивная схема поворотно-сопрягающего водопропускного сооружения вихревого типа, совмещающая функцию поворота потока и функцию гашения (внутри сооружения) избыточной кинетической энергии потока. Скорость потока на выходе из сооружения регулируется и может достигать требуемых значений.

Такое сооружение может быть создано на основе использования в нем закрученных потоков. В диссертационной работе проведены исследования гидравлических условий работы предлагаемого сооружения.

Цель исследований. Целью исследования являлось определение гидравлических характеристик потока в поворотно-сопрягающем водопропускном сооружении с закруткой потока, позволяющих оценить работу сооружения и определить его геометрические размеры.

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

- определение пропускной способности;

- определение форм и размеров закручивающего устройства, обеспечивающих требуемую закрутку потока;

- определение степени гашения избыточной кинетической энергии внутри сооружения;

- определение скорости потока и степени равномерности эпюр скорости в отводящем канале;

- разработка метода расчета и критериев эффективности работы поворотно-сопрягающего сооружения.

Решение указанных задач базируется на использовании результатов ис- ' следований данной работы, а также известных методов расчета закрученных потоков в водопропускных сооружениях.

Научная новизна. В работе получены новые результаты, а именно:

1. Предложена конструктивная схема водопропускного поворотно-сопрягающего сооружения с использованием закрученных потоков, совмещающая в себе функцию сосредоточенного поворота и функцию гашения избыточной кинетической энергии потока.

2. Показана принципиальная возможность эффективной работы поворот-но-сопрягающего водопропускного сооружения с закруткой потока.

3. Установлены оптимальные размеры элементов сооружения (камеры гашения и безнапорного отвода), обеспечивающие трансформацию закрученных потоков в осевой.

4. Получена зависимость коэффициента суммарного гидравлического сопротивления тангенциального завихрителя и камеры гашения от интегрального параметра закрутки П0 = /(П0).

5. Получены безразмерные эпюры скорости, характеризующие кинема- • тическую структуру потока в отводящем канале.

6. Предложены критерии оценки эффективности работы поворотно-сопрягающего водопропускного сооружения.

7. Разработан метод расчета поворотно-сопрягающего сооружения, позволяющий определить основные гидравлические характеристики потока и геометрические размеры сооружения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Конструктивная схема поворотно-сопрягающего водопропускного сооружения вихревого типа, отличающаяся тем, что позволяет обеспе-чить поворот потока и одновременное гашение избыточной кинетической энергии потока внутри сооружения.

2. Закономерности гидравлического сопротивления в элементах сооружения.

3. Безразмерные эпюры скорости, характеризующие кинематическую структуру потока в отводящем канале после сооружения.

4. Основные положения гидравлического расчета поворотно-сопрягающего сооружения.

5. Критерии оценки эффективности работы поворотно-сопрягающего сооружения.

Практическая значимость. Практическая значимость результатов исследований заключается в возможности их использования при проектировании новых и реконструкции существующих оросительных систем и магистральных каналов в условиях предгорных районов.

Предлагаемое сооружение может быть использовано так же для других нужд, например, нужд городской ливневой канализации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на научных конференциях Инженерного факультета РУДН заседаниях кафедры гидравлики и гидротехнических сооружений РУДН и на Международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития геосистем», Москва, 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и содержит 160 страниц текста, в т.ч. 20 страниц приложения.

Заключение диссертации по теме «Гидравлика и инженерная гидрология», Карлос Энрике Морено Падилья

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Предложена новая конструктивная схема поворотно-сопрягающего водопропускного сооружения вихревого типа с использованием закрученных потоков, сочетающая в себе функцию сосредоточенного поворота на углы 90° > р > 45° и функцию гашения избыточной энергии бурного потока внутри сооружения.

2. Сооружение рекомендуется к использованию в условиях предгорного рельефа, при больших уклонах местности, когда требуется осуществить поворот бурного потока на углы 90° > р > 45° и одновременно погасить избыточную кинетическую энергию потока.

3. Установлены оптимальные размеры камеры гашения, позволяющие трансформировать закрученные потоки, поступающие в камеру, в осевой поток на выходе из нее.

4. Определены размеры безнапорного отвода, при которых происходит стабилизация потока, выходящего из камеры гашения.

5. Установлена связь между коэффициентом гашения энергии потока и параметром закрутки т]г = /(п0), используемая для критериальной оценки эффективности работы сооружения.

6. Получены зависимости используемые в расчетах : суммарного коэффициента гидравлического сопротивления тангенциального завихрителя и камеры гашения от интегрального параметра закрутки (£, + ,-) = /(п0), а также коэффициента уменьшения скорости =/(П0).

7. Получены безразмерные эпюры скорости в сечениях отводящего канала, свидетельствующие о равномерном характере распределения скорости и используемые для оценки эффективности работы сооружения.

8. Сформулировано условие критериальной оценки кинематической структуры потока в отводящем канале, с учетом равномерного характера эпюр скорости в отводящем канале, формируемых поворотно-сопрягающим сооружением.

9. Предложена методика оценки эффективности работы поворотно-сопрягающего сооружения по комплексу показателей.

Ю.Предложен метод гидравлического расчета поворотно-сопрягающего сооружения с использованием полученных экспериментальных результатов.

134

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карлос Энрике Морено Падилья, 2006 год

1. A.C. Кривченко Г.И. и др. Водосбросное устройство//БИ. 1981. №10.

2. A.C. Цедров Г.Н., Гальперин P.C., Золотое Л.А., Розанова H.H. Способ гашения энергии потока//Там же, 1978. №6.

3. A.C. ЭленсонГ.З., Гурьев А.П., БакеевС.А. Устройство для гашения энергии потока водосбросного сооружения//Там же, 1986. №37.

4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Изд. «Наука», 1969.

5. Абрамович Г.Н., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н. и Смирнова И.П. Турбулентное смешение газовых струй. М.: Изд. «Наука», 1974. 270 с.

6. Алыпшулъ А.Д. Гидравлические сопротивления. М.: Недра, 1982. 224 с.

7. Бейшекеев К.К. Ломаные в плане поворотные сооружения для каналов с бурным режимом течения. Фрунзе, 1988.

8. Васильев О.Ф. Основы механики винтовых и циркуляционных потоков. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958.

9. Волшаник В.В., Зуйков A.JI., Квятковская Е.В., Кривченко Г.И., Мордасов А.П. Высоконапорная водосбросная система с контрвихревым гасителем энергии потока воды//Гидротехническое строительство, 1981. №10.

10. ХО.Волшаник В.В., Зуйков A.JI., Мордасов А.П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях. М.: Изд. «Энергоатомиздат», 1990. 280 с.

11. Ъ.Гальперин P.C., Золотое Л.А., Розанова H.H., Цедров Г.Н. Гашение энергии высокоскоростного потока в тоннельных водосбросах//Там же, 1979. №4.

12. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1988. 624 с.

13. ГринсенХ. Теория вращающихся жидкостей. JL: Гидрометеоиздат, 1975.

14. Гунта А., Лели Д., Сарйред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. 588 с.

15. Гурьев А.П., Животовский Б.А., Эленсон Г.З. Руководство по проектированию высоконапорных вихревых водосбросов (Нормы проектирования). М.: Союзгипроводход, 1984.

16. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1978.

17. Животовский Б.А. Гидравлика закрученных потоков и их применение в гидротехнике: Автореф. дис. д-ра техн. наук. М., 1986.2Ъ.Животовский Б.А. Закрученный поток в цилиндрической трубе//Речная гидравлика и гидротехника. М.: Изд. УДН, 1977.

18. Животовский Б.А. Оценка устойчивости движения закрученного потока в круглом водоводе//Результаты исследований речных русл и гидротехнических сооружений. М.: Изд. УДН, 1983.

19. Животовский Б.А. Экспериментальные исследования закрученных потоков жидкости. М.: Изд. УДН, 1982.

20. Зуйков A.JI. Водосбросная система с взаимодействующими концентрическими закрученными потоками: Автореф. дис. канд. техн. наук. М: МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1984.

21. Иванов Ю.В., ЛубиХ.0., Нурсте Х.О. Исследование аэродинамики потока в закручивающих устройствах. «Теплотехника». М., 1978. № 1.

22. ЪХ.Кибель И.А., Кочин Н.Е., РозеН.В. Теоретическая гидромеханика. Ч. 1, 2. М.: Физматгиз, 1963.

23. Ъ2.Киселев П.Г. Гидравлика: Основы механики и жидкости. Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1980. 360 с.

24. Леванов A.B. Закономерности гашения энергии в высоконапорных вихревых водосбросах: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1985.

25. ЛевиИ.И. Моделирование гидравлических явлений. JL: Изд. «Энергия», 1967. 236 с.

26. Ъ5.Мордасов А.П. Влияние длины отводящего водовода на пропускную способность водосбросной системы с вихревым затвором. М.: Сб. МИСИ. 1976. № 131.

27. Ъб.Мордасов А.П. Высоконапорные водосбросные системы с вихревыми затворами: Автореф. дис. канд. техн. наук. М. 1978.31 .Мордасов А.П. Модельные исследования водосбросной системы с вихревым затвором на высоконапорной установке. М.: Сб. МИСИ. 1971. №91.

28. ЪЪ.Новикова КС., Родионов В.Б., Розанова H.H. Вихревые водосбросы с гашением энергии по длине отводящего тракта/«Безопасность энергетических сооружений». НИИЭС, 2003. Вып. 12. С. 183-193.

29. Розанова H.H. Моделирование работы гидротехнических сооружений. М.: Изд. РУДН, 1998.

30. Розанова H.H. Некоторые вопросы эффективности гашения избыточной кинетической энергии в тоннельных водоводах высоконапорных водосбросов//Труды МГМИ. М., 1978.

31. Розанова H.H. Основные факторы, влияющие на эффективность гашения энергии потока в вихревых туннельных водосбросах с гасительной камерой//Труды МгМИ. М., 1981.

32. Розанова H.H. Расчет сопряжения бьефов в отводящем туннеле вихревого водосброса с гасительной камерой//Гидротехнические сооружения, основания и фундаменты, инженерные конструкции. М., 1982.

33. Сапфиров A.B. Оценка гидравлических особенностей работы вихревого шахтного водосброса с тангенциальным завихрителем потока. М., 1991. 174 с.

34. Сапфиров A.B., Федорков A.M., Ханов H.B. Методика определения геометрического параметра (А) для бескамерного тангенциального завих-рителя//Тезисы докладов научно-технической конференции МГМИ (23-26 апреля). М., 1991. С. 69.

35. Справочник по гидравлическим расчетам/Под ред. П.Г. Киселева. М.: Изд. «Энергия», 1972. 312 с.

36. Темирханов A.M. Гидравлические исследования высоконапорных водосбросных устройств с вихревыми затворами: Дис. канд. техн. наук. М., 1969.

37. Устройство нижнего бьефа водосбросов/Под ред. Н.П. Розанова. М.: Колос, 1984.51 .Халатов А.А., Щукин В.К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982.

38. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиз-дат, 1984. 640 с.

39. Эленсон Г.В. Новые конструкции водобойных колодцев с циркуляционными течениями: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1988.

40. Янгеев А.А. Оценка энергогасящей способности элементов отводящего тракта высоконапорных вихревых водосбросов: Дис. канд. техн. наук, 1991. 160 с.

41. Howard L.N., Cupta A.S. On the hydrodynamic hydromagnetic stability of swirling flows//J. Fluid Mech., 1962. V. 14. N 3. P. 463-470.5e.Kreith F., Soniu O. The decay of a turbulent swirl flow in a pipe//J. Fluid Mech., 1965. V.22. Pt. 2. P. 257.

42. Rabinovich E.Z. Hidraulica. M.: Editorial Mir, 1987. 320 p.

43. Rozanov M.P., Rozanova N.N., Fedorkov A.M., Zhivotovski B.A. Modelling and cavitation forecast on unevenesses in twisted flows. Topics in industrial Hydraulics//Proceeding of technical session of XXII Congress IAHR. Lausane, 1987.

44. Senoe Y., Megata T. Swirling flow in long pipes with different rough-ness//Bulletin of the Japan Society of Mechanical Engineers. Tokyo, 1972. V.15.N90. P. 1514-1521.

45. Truesdell C. La velocita massina nel moto di Gromeka-Beltrami. Tai Akadem Nazionale Lincei, Rendiconti. Clase Scienze fis., matem e natur., 1952. V. 13. N6.

46. Yajnik K., Subbaiah M. Experiments on swirling turbulent flor. Part 1. Similarity in swirling flows//J. Fluid Mech., 1973. V.60. Pt. 4. P. 665-687.