Гидравлическое обоснование методов прогноза пропускной способности высокопороговых водосбросов с горизонтальной вставкой на гребне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат технических наук Ершов, Константин Сергеевич

• Ершов, Константин Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ершов, Константин Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

1.1. Краткая характеристика существующих водосбросных сооружений, работающих по схеме высокопорогового водосброса с горизонтальной вставкой, имеющего плановое расширение.

1.2. Общая информация о водосливах с широким порогом.

1.3. Обзор литературных работ, посвященных изучению водослива с широким порогом.

1.3.1.Энергетический метод расчёта водослива с широким порогом, основанный на применении уравнения Бернулли.

1.3.2.Метод расчёта водослива с широким порогом, основанный на применении закона о приращении количества движения.

1.3.3.Расчётные зависимости, полученные на основе экспериментальных данных.

1.4. Выводы по главе 1.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ ВОДОСЛИВА ПРАКТИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ВСТАВКОЙ И НЕПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ СТЕНКАМИ.

2.1. Общие рассуждения о теоретических расчётах водосливов.

2.2. Расчёт кривой свободной поверхности на пороге водослива.

2.3. Теоретическое определение пропускной способности водослива.

2.4. Выводы по главе 2.

3. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ И МОДЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ВОДОСБРОСА.

3.1. Методика модельных исследований.

3.2. Модельная установка.

3.3. Методика измерений и измерительная аппаратура.

3.4. Оценка точности измерений.

3.4.1 .Оценка абсолютных погрешностей измеряемых величин.

3.4.2. Оценка относительной точности измеряемых параметров.

3.4.2.1. Оценка точности измерения расходов.

3.4.2.2. Оценка точности определения давлений.

3.4.2.3. Оценка точности определения местных скоростей потока.

3.5. Методика обработки результатов экспериментов.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.

4.1. Результаты исследований пропускной способности водосброса.

4.2. Результаты исследований свободной поверхности потока.

4.3. Результаты исследования распределения давлений, скоростей и потерь энергии в потоке.

4.4. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидравлическое обоснование методов прогноза пропускной способности высокопороговых водосбросов с горизонтальной вставкой на гребне»

При проектировании гидротехнических сооружений гидравлические расчёты водосливов приходится проводить очень часто. Теория водосливов в гидравлике разрабатывается достаточно давно. На начальных этапах она ограничивалась рассмотрением только простейших схем течения через водослив. В дальнейшем началось постепенное усложнение вопросов гидравлики водослива, поскольку к тому времени был накоплен достаточно обширный опытный материал, требовавший более совершенных и точных приёмов расчёта.

Согласно нормам проектирования гидротехнических сооружений, водосливы принято классифицировать по отношению длины порога к действующему напору - 8/Н. Исходя из этой классификации, различают следующие виды водосливов:

- водослив с тонкой стенкой (8/Н < 0,67);

- водослив практического профиля (0,5 . 0,67 < 8/Н < 2);

- водослив с широким порогом (2 < 8/Н < 8 . 12).

Однако периодически в практике гидротехнического строительства появляются водосбросы, которые нельзя с уверенностью отнести к определённому классу. В качестве примера можно привести высокопороговый водосброс с горизонтальной вставкой и непараллельными стенками. По отношению 8/Н эти водосливы могут относиться к водосливам с широким порогом, однако, их стенки непараллельны в плане. По данной схеме работает множество водосбросных гидротехнических сооружений.

Изучение работы водослива с широким порогом началось ещё в XIX веке. Данным вопросом занималось много известных учёных своего времени в нашей стране и за рубежом.

Несмотря на такой интерес к данной проблеме, многие вопросы остаются недостаточно раскрытыми. В частности, значительный интерес представляет влияние планового расширения водослива на пропускную способность и характер истечения через водослив. Решение данного вопроса представляет не только теоретическую, но и практическую ценность, поскольку водосливы с такой конструктивной особенностью достаточно широко применяются в практике гидротехнического строительства.

Целью диссертационной работы является исследование на гидравлической модели и анализ процессов, происходящих на гребне водосливов рассматриваемого типа, а именно: определение пропускной способности водослива, исследование свободной поверхности потока на пороге, изучение распределения местных скоростей, давлений и потерь энергии в потоке на пороге: А также создание обоснованной методики гидравлического расчёта таких сооружений.1 Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обобщить информацию о существующих методах расчётов водосливов с широким порогом;

- разработать и предложить метод построения кривой свободной поверхности на пороге водослива с учётом непараллельности стенок;

- разработать теоретический метод определения пропускной способности такого водослива;

- определить на гидравлической модели пропускную способность высокопорогового водосброса с горизонтальной вставкой и непараллельными стенками;

- сравнить экспериментальные значения коэффициентов расхода модельного водослива со значениями, полученными как по предложенной методике, так и с применением существующих формул для классических водосливов с широким порогом;

- исследовать на гидравлической модели порога водослива закономерности распределения местных скоростей, давлений и потерь энергии в потоке и выполнить их анализ.

Достоверность результатов исследований обусловлена:

- применением в процессе исследований современных методик, соответствующих требованиям гидравлического моделирования;

- использованием статистических методов обработки экспериментальных данных;

- использованием в исследованиях современных аппаратуры, приборов и программного обеспечения.

Апробация полученных результатов. Содержание и результаты исследований докладывались и обсуждались на четвертой научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии»- (2022.11.2008 г), секции «Гидравлика гидротехнических и энергетических'сооружений» ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», а также на ежегодных научно-технических конференциях «ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства» в 2009-2011 гг.

По материалам диссертации опубликовано 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК и 1 статья в электронном источнике.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (68 наименований), приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, иллюстрирована 83 рисунками и 12 таблицами.

Заключение диссертации по теме «Гидравлика и инженерная гидрология», Ершов, Константин Сергеевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Анализ существующих на данный момент работ, посвящённых гидравлическим расчётам водосливов, показал, что существующие расчётные зависимости не могут охватить всего многообразия возможных конструкций.

В выполненной работе представлены результаты теоретических и лабораторных исследований высокопорогового водосброса с горизонтальной вставкой и непараллельными стенками. Выполненные исследования позволили нам прийти к следующим основным выводам:

1. Проведённый анализ литературы показал, что выбранный водослив с плановым расширением, по отношению ЫН можно отнести к водосливам с широким порогом. Однако его боковые стенки непараллельны.

2. На основе анализа и обобщения отечественного и мирового опыта гидравлического расчёта водосливов с широким порогом и учёта влияния планового расширения пролётов отмечено, что точной методики их расчёта не существует до сих пор. Вопросы планового расширения- водосливных пролётов практически не изучены.

3. Предпринята попытка составить дифференциальное уравнение кривой свободной поверхности потока на пороге водослива с учётом планового расширения пролёта.

4. Предложен и осуществлён способ решения этого уравнения численным I методом Рунге-Куты-Фелберга с помощью программы Мар1е. Выполнено сравнение экспериментальных кривых свободной поверхности потока и кривых, полученных с помощью предложенной методики. Для напоров больше 5,0 м, расхождение составляло не более 5%. При уменьшении напоров, расхождение увеличивалось, что свидетельствовало о необходимости уточнения предложенной методики для малых напоров.

5. Предпринята попытка рассчитать пропускную способность модельного водослива по существующим методикам расчёта для классических водосливов с широким порогом.

6. Для определения пропускной способности рассматриваемого водослива, нами было предложено использовать методику расчёта напорных водосбросов, в которой для определения коэффициента расхода т. используется коэффициент скорости (р, вычисляемый путём'суммирования коэффициентов сопротивлений от входного участка водосброса до его выходного сечения. При суммировании; каждый из. коэффициентов сопротивлений приводился к площади ключевого сечения-водосброса.

7. Для проведения ¡модельных исследований использовалась модель водосброса №2 временной' эксплуатации Богучанского гидроузла. Модель, была выполнена из оргстекла в масштабе 1:60:

8. В результате4 модельных исследований' автора были получены следующие результаты:

- Определена пропускная способность-выбранного водослива. Значения коэффициента расхода находились в диапазоне »2=0,36.0,4 при напорах #=2,6. 17,0 м. Разница между экспериментальными значениями т и значениями, полученными по формулам для классического водослива с широким порогом, достигало 5.25 %.

- Произведено сравнение экспериментальных значений т со значениями, полученными по предложенной методике расчёта. Здесь величина расхождения составила не более 3%.

- Получены кривые свободной поверхности потока на пороге водослива и выполнено их сравнение с кривыми полученными решением предложенного дифференциального уравнения. Величина расхождения здесь составляла до 5% при напорах #=5,0. 12,0 м. При меньших напорах величина расхождения увеличивалась.

- Представлены и проанализированы, полученные на модели результаты исследований распределения местных скоростей, давлений и потерь энергии в потоке. Диапазон изменения местных скоростей потока в исследованных пролётах составлял 2,3. 14,3 м/с. Давления в потоке во всех случаях оказались меньше гидростатических. Величина отклонения находилась в диапазоне 0,9.4,0 м. Потери энергии на выходе с порога достигали величин 0,35.2,0 м в зависимости от величины действующего напора.

- Получен большой объём фото- и видеоматериала.

Автор полагает, что представленные в работе расчётные выражения и экспериментальные данные могут облегчить расчёт водосливов с указанными конструктивными особенностями.

Дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены на:

- уточнение предложенной методики расчёта коэффициента расхода т, а именно получение точных значений коэффициентов потерь энергии и влиянии потерь друг на друга;

- изучение влияния планового расширения пролётов при большем диапазоне углов расхождения и положения начала планового расширения по отношению к входному порогу;

- доработку предложенного дифференциального уравнения кривой свободной поверхности потока для применения его при малых действующих напорах, а также уточнение члена, учитывающего потери энергии на пороге водослива.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ершов, Константин Сергеевич, 2011 год

1. Абрамов М.З. Водослив с широким порогом / Абрамов М.З. // Труды I Всесоюзного съезда гидротехников. М. - 1934.

2. Агроскин И.И. Гидравлика / Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И: М.-Л.: Энергия, 1964. - 352 с.

3. Айвазьян В.Г. О расчёте водослива с широким порогом / Айвазьян В.Г. // Гидротехническое строительство. М., 1935. - №10.

4. Александров Б.К. Пути к ускорению и удешевлению строительства приплотинных гидроэлектростанций /Александров Б.К. // Гидротехническое строительство. М., 1944'. - №1-2

5. Александров Б.К. Пути улучшения конструкций русловых гидроэлектростанций / Александров Б.К. // Доклад. Гидроэнергопроект. - М., 1958.

6. Берг Б.А. Об ускорении и удешевлении строительства' гидроэлектростанций / Берг Б.А. // Гидротехническое строительство. MI, 1945. - №4-5.

7. Березинский А.Р. Пропускная способность водослива с широким^ порогом / Березинский А.Р. М.-Л.: Стройиздат, 1950. - 187 с.

8. Бобылёв Д.К. Очерк теории» водяных течений, выработанной Буссине-ском / Бобылёв Д.К. СПб.: Изд. Ю.Н. Эрлихъ, 1898. - 189 с.

9. Бронштейн П.И:, Семендяев К.А. Справочник по математике / Бронштейн П.И., Семенднев К.А. М.: Наука, 1965. - 720 с.

10. Васильев А.Ф. Опыт строительства и эксплуатации Камской гидроэлектростанции / Васильев А.Ф., Кочетков М.В. // Гидротехническое строительство. М., 1957. - №4.

11. Вейц Н.П. Основные задачи соединения двух потоков / Вейц Н.П. // Известия ВНИИГ. Л., 1947. - т. 32.

12. Воробьёв A.C. Учёт стока воды на гидроэлектростанциях / Воробьёв A.C. М.: Энергия, 1980. - 176 с.

13. Григорович H.A. Анализ движения жидкости через водослив с широким порогом / Григорович H.A. // Гидротехник. М., 1929. - №1.

14. Гурьев А.П. Пропускная способность поверхностных водосбросов криволинейных очертаний» в плане совмещённых гидроэлектростанций / Гурьев А.П. // Диссертация на<соискание уч. ст. канд. техн. наук. M.: ТСХА, 1969. -450 с.

15. Гутер Р.С. Элементы численного, анализа'и математической-обработки результатов опыта / Гутер P.C., Овчинский Б.В. изд. 2-е, переработанное: — М:: Наука, 1970.-434 с.

16. Дульнев Н.В. О движении воды через водослив-с широким порогом / Дульнев Н:В. // Гидротехническое строительство. М., 1937. - №9.

17. Евневич И. А. Курс гидравлики: лекции, читанные в С.-Петерб. Практ. Технол. Ин-те И. А. Евневичем / И. А. Евневич. 2-е изд., испр. и значительно доп. - СПб. : Изд. К. JI. Риккера : Тип. М. Стасюлевича, 1891. - XII, 676 с.

18. Егоров,С.А. Эжекция в нижний бьеф на малых гидростанциях / Егоров С.А. // Гидротехническое строительство. М., 1949. - №8.

19. Ибад-Заде Ю:А. К расчёту водослива с широким- порогом / Ибад-Заде Ю.А. // Труды АзНИИГиМа. Баку, 1949. - т. 1.

20. Избаш C.B. Основы лабораторно — опытного дела в гидротехнике / Из-баш C.B. M.-JL: ОНТИ НКТП СССР, 1938. - 228 с.

21. Избаш C.B. Основы гидравлики / Избаш C.B. М.: Госиздат по строительству и архитектуре, 1952. - 422 с.

22. Истечение через незатопленный водослив с широким порогом // Труды ЛПИ.-Л., 1950.-№2.

23. Коберник С.Г. О глубине потока на водосливе с широким1 порогом / Коберник С.Г. // Гидротехническое строительство. М., 1948. - №5.

24. Коберник С.Г. О коэффициенте расхода идеального водослива с широким* порогом / Коберник С.Г. // Гидротехническое строительство. М., 1953. -№1.

25. Кох А. Основы практической гидродинамики / Кох А., Карстаньен М. -в пер: Я.А. Палкуева. M.-JL: Государственное энергетическое издательство, 1933.-196 с.

26. Михайлов К.А. Гидравлика / Михайлов К.А., Богомолов А.И. М.: Стройиздат, 1965. - 632 с.

27. Муромов B.C. О применении закона количества движения к водосливу с широким порогом / Муромов B.C. // Гидротехническое строительство. — М., 1948: №3.

28. Павловский H.H. Гидравлический справочник / Павловский H.H. М.-JL: ОНТИ, 1937.-890 с.

29. Пикалов Ф.И. Движение на водосливе с широким порогом / Пикапов Ф.И. // Гидротехническое строительство. М., 1948. - №1 Г.

30. Пикалов Ф.И. К теории водослива* с широким порогом / Пикалов Ф:И. // Вестник гидротехники и мелиорации. М., 1940. - №4.

31. Рекомендации, по гидравлическому расчету водосливов. Часть I. Прямые водосливы. JL: Энергия, 1974. - 57 с.

32. Скиба М.М. Теория движения жидкости через водосливы с широким порогом / Скиба М.М. // Известия Южного института гидротехники и мелиорации. Новочеркасск, 1934. - вып. 3-4.

33. Слисский С.М. Гидравлика зданий гидроэлектростанций / Слисский С.М. М.: Энергия,1970. - 424 с.40і Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений; Учебное пособие для вузов / Слисский С.М. М.: Энергия, 1979.-336 с.

34. Смислов В.В. Дослідження руху води через споруди з урахованням кривизни та похилу вільноі поверхні / Смислов B.B. // Вісті Інституту гідро-логіі і гідротехніки АН УРСР. т.6 (XIII). - К., 1950.

35. Смыслов B.B. Измерение расхода сточной жидкости в открытых каналах и безнапорных трубах при помощи водомерных лотков. Санитарная техника / Смыслов В.В. К.: Изд-во АН УССР, 1954. - 114 с.

36. Смыслов В.В. Исследование формы свободной поверхности при протекании воды через отверстия малых мостков / Смыслов В.В. // Известия института гидрологии и гидротехники АН УССР. К., 1952. - т.9 (XVI).

37. Смыслов В.В. К решению задачи о незатопленном водосливе с широким порогом / Смыслов В1В. // Гидравлика и гидротехника. К., 1968. - №7.

38. Смыслов В.В. К теории водомерных лотков и выпусков / Смыслов В.В. // Известия-института гидрологии и гидротехники АН" УССР. К., 1951. - т.8 (XV).

39. Смыслов В.В. О критической глубине криволинейного потока / Смыслов C.B. // Гидротехническое строительство. — Ml, 1951. №9.

40. Смыслов В.В. Расчёт кривой' свободной поверхности незатопленного водослива с широким порогом /Смыслов В.В. // Известия института гидрологии и гидротехники АН УССР.' К., 1954'. - т. 11 (XVIII)i

41. Смыслов В.В. Теория водослива с широким порогом / Смыслов В:В. — К.: Издательство АН УССР, 1956. 184 с.

42. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические* сооружения. Основные положения. -Взамен СНиП2.06.01-86. Введ. 2004-01-01. - М.: Гос. предпр. - Центр проектной продукции массового применения, 2004. - 23с.

43. Соколова С.А. Совершенствование методов расчётного обоснования и проектирования русловых шахтных водосбросов полигонального очертания в плане / Соколова С.А. // Диссертация на соискание уч. ст. канд. техн. наук. — Mi: МГУП, 2006. 170 с.

44. Сухомел Г.И. Водослив с широким порогом / Сухомел Г.И., Розовский И.Л1, Дидковский М.М., Смыслов В.В1, Коберник С.Г. К.:Изд-во АН УССР, 1949. -153 с.

45. Сухомел Г.И. Движение воды через водослив с широким порогом / Сухомел Г.И., Розовський И.Л., Смыслов В.В. // Гидротехническое строительство.-М., 1948. -№1.

46. Сухомел Г.И. Про плоскийрух потоку з вшьноюповерхнею з струминками, вихривленними у вертикальных площинах / Сухомел Г.И., Розовсысий П.Л., Смислов В.В. //ДАН УРСР. К., 1947. - №3.

47. Технические условия и нормы проектирования гидротехнических сооружений. Гидравлические расчёты. Л.-М.: Госэнергоиздат, 1952. — 47 с.

48. Угинчус A.A. Обобщённая формула для гидравлического расчёта водосливов* с широким порогом различных форм / Угинчус A.A. // Гидротехническое строительство. М., 1948. - №5.

49. Чертоусов М.Д. Гидравлика. Специальный курс / Чертоусов М.Д. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 630 с.

50. Чертоусов-М.Д. Истечение через затопленный водослив с широким* порогом / Чертоусов М.Д. // Труды ЛПИ. Л., 1955. - №178.

51. Чертоусов М.Д^К вопросу об-истечении через ВОДОСЛИВ'с широким порогом / Чертоусов М.Д. // Гидротехническое строительство. — Mi, 1938. -№12.

52. Чертоусов М.Д. / Чертоусов М.Д. // Гидротехническое строительство. -М., 1948.-№5.

53. Чертоусов М.Д. Расчёт отверстий гидротехнических сооружений, работающих по типу водослива с широким порогом, в условиях пространственной задачи / Чертоусов М.Д. // Труды ЛПИ. Л., 1949. - №1.

54. Чиквашвили Б.М. Гидравлические расчеты напорных водосбросов высоких плотин. Выпуск 31 / Чиквашвили Б.М. М.: Энергия, 1972. — 120 с.

55. Чистяков A.M. Лабораторные исследования гидротурбинных блоков приплотинных ГЭС и сопоставление результатов их исследований с натурными / Чистяков A.M. // Труды координационных совещаний по гидротехнике. М.: Энергия, 1965. - Выпуск XXII.

56. Шварц А.П. Водослив с широким порогом / Шварц А.П. // Труды АН СССР: Проблемы Волгокаспия. М., 1934. - т.2.

57. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов / Штеренлихт Д.В. -M.: Энергоатомиздат, 1984. 640 с.

58. Щапов Н.М. Гидрометрия гидротехнических сооружений и гидромашин / Щапов Н.М. — M.-JL: Госэнергоиздат, 1957. 237 с.

59. Jager Ch. Technische Hydraulik / Jager Ch. Basel.: Birkhausen 1949. -464 s.

60. Khafagi A. Velocity and pressure Distribution in curved stream line Flow. / Khafagi A., Hammad S.Z. // Water and Water Engineering. - March, 1954. - P. 106-115.

61. Serre F. Contribution а Г etude des écoulements permamentes et variables dans les canaux / Serre F. // La Houille Blanche. P.A. de Courtabœuf, 1953. -№6. - 830 - 872 p.