Гидравлическое обоснование параметров проточных частей регуляторов расхода для реконструируемых трубчатых водопропускных сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат наук Гайсин Айнурт Альбертович

• Гайсин Айнурт Альбертович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Гайсин Айнурт Альбертович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 КРАТКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА И НАПРАВЛЕНИЯ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

1. 1 Технические средства регулирования водоподачи на открытых каналах

1.2 Основные положения гидравлического расчета гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу

1.3 Необходимость совершенствования выходного участка регуляторов

1.4 Возможные способы модификации гидродинамических водовыпусков

1.5 Выводы по Главе

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, ПЛАНИРОВАНИЕ И СТАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1 Цели проведения эксперимента

2.2 Планирование эксперимента

2.3 Выбор критериев моделирования из условий подобия натурного и модельного сооружений

2.4 Описание экспериментальной установки и физических моделей

2.5 Измерительные приборы

2.6 Методика проведения эксперимента

2.7 Тестирование выбросов

2.8 Проверка условий воспроизводимости и повторяемости

2.9 Оценка точности непосредственно измеряемых величин

2.10 Оценка точности косвенно измеряемых величин

2.11 Выводы по Главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ В КОРОТКИХ ДИФФУЗОРАХ

3.1 Расчет регулирующей способности водовыпуска при различных формах исполнения выходного участка

3.2 Варианты расстановки дефлекторов в коротких диффузорах

3.3 Экспериментальные исследования гидравлических характеристик диффузоров

3.4 Численное моделирование течения жидкости в коротких диффузорах с большой степенью расширения

3.4.1 Выбор граничных условий, расчетной сетки и математической модели физических процессов в проточной части водовыпуска

3.4.2 Сравнение результатов численного и гидравлического эксперимента

3.4.3 Сравнение течения жидкости в исследуемых конструкциях

3.5 Факторный анализ влияния формы, способа расстановки и числа дефлекторов на гидравлические характеристики коротких диффузоров

3.6 Выводы по Главе

ГЛАВА 4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ РАСХОДА ПО НИЖНЕМУ БЬЕФУ

4.1 Особенности гидравлического расчета регуляторов при реконструкции водопропускного сооружения

4.2 Определение параметров диафрагмы в выходном сечении трубчатого водовыпуска

4.3 Определение заглубления выходного сечения водовыпуска

4.4 Варианты исполнения проточной части регуляторов

4.5 Коэффициент сжатия транзитного потока управляющим

4.6 Динамика коэффициента Кориолиса в камере слияния

4.7 Динамика коэффициента расхода регулятора

4.8 Определение параметров диффузорных выходных участков и пределов регулирования для реконструируемых водопропускных сооружений

4.9 Определение статических характеристик регуляторов с усовершенствованной проточной частью

4.10 Выводы по Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидравлическое обоснование параметров проточных частей регуляторов расхода для реконструируемых трубчатых водопропускных сооружений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Российская Федерация относится к странам мира, наиболее обеспеченным водными ресурсами, но ее территория характеризуется неравномерностью их распределения. В частности на территориях Саратовской, Астраханской и Волгоградской областей, в Ставропольском крае, в отдельных районах Южного Урала и республики Крым в маловодные годы возникают локальные дефициты водных ресурсов для обеспечения сельскохозяйственных нужд Нерациональное использование водных ресурсов обусловлено неудовлетворительным техническим уровнем и значительной степенью износа гидротехнических сооружений мелиоративных систем [35, 100].

Одной из приоритетных задач федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах» является создание водоресурсных условий для устойчивого обеспечения жизнедеятельности населения страны и развития отраслей экономики; обеспечение гарантированного водопользования в условиях маловодья и антропогенного воздействия, что возможно осуществить путем повышения рациональности использования водных ресурсов [83]. Решение задачи включает не только строительство новых, но ремонт и реконструкцию существующих мелиоративных систем. По стандарту «Мелиоративные системы и сооружения» гидротехнические сооружения оросительных систем должны быть оборудованы регуляторами расхода автоматического действия, при этом величина технологических сбросов из каналов не должна превышать А%=5% от объема водопотребления [69].

Реконструкцию существующих мелиоративных систем необходимо производить с применением современных передовых достижений науки и техники. Новое проектирование и строительство должно обеспечивать возможность применения наукоемких и инновационных технологии в строительстве, эксплуатации и функционировании мелиоративных систем [83]. Поэтому становится актуальным вопрос создания новых, простых и надежных в применении устройств автоматического регулирования расхода, а также вопрос реконструкции существующих

напорных трубчатых водовыпусков с целью получения автоматических регуляторов расхода воды.

В настоящее время актуальным вопросом является не столько строительство новых, сколько реконструкция и автоматизация существующих мелиоративных систем. При реконструкции входящих в такие системы водовыпусков для устройства регуляторов расхода по нижнему бьефу экономически целесообразным является максимальное использование существующих напорных труб, при их удовлетворительном состоянии. В этом случае часть геометрических параметров проточной части сооружений заранее известна и изменению не подлежит. При проектировании новых водовыпусков-регуляторов, учитывая исходные данные, практически всегда можно подобрать геометрические характеристики их проточных частей.

Одними из распространенных гидротехнических сооружений, входящими в состав оросительных систем, являются напорные водовыпуски, размещаемые в теле плотин или совмещенные с трубчатыми переездами (дюкерами) на мелиоративных каналах. Использование сложных автоматических схем регулирования расхода на мелиоративных сооружениях IV класса считается нерациональным. В качестве альтернативного решения возможно использование гидродинамических водовы-пусков, осуществляющих стабилизацию либо регулирование расхода за счет сжатия транзитного потока управляющим расходом, вследствие чего происходит увеличение потерь напора в отводящей части закрытого водовода.

Степень разработанности темы исследований. Эффективность работы автоматических водовыпусков гидродинамического действия, имеющих расширяющийся выходной участок, доказана в работах ряда авторов [75, 115, 12, 99]. Детально изучены стабилизаторы расхода, в которых подача сигнала управления происходит со стороны верхнего бьефа. Эти сооружения могут входить в состав систем каскадного регулирования расхода, реализующих принцип управления «сверху-вниз».

Регуляторы расхода, забирающие управляющий поток со стороны нижнего бьефа, способны обеспечивать более эффективный способ регулирования водопо-

дачи - способ управления «снизу-вверх». Расход воды, подаваемый в канал регулятором, должен соответствовать объему водопотребления ниже створа перегораживающего сооружения. Несмотря на перспективность использования регуляторов, автоматические водовыпуски гидродинамического действия по нижнему бьефу были изучены только в работах двух авторов [99, 115]. Приемлемых диапазонов регулирования удалось достигнуть при технологически сложных в исполнении встречных углах подвода потока управления, используемые выходные участки не обеспечивали выравнивания скоростей потока, поступающего в нижний бьеф, отсутствовала методика определения параметров регуляторов, получаемых из существующих трубчатых водовыпусков при их реконструкции.

Целью исследований стало совершенствование проточной части гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу для увеличения диапазона регулирования по напорам при сохранении конструктивной простоты, а также создание методики расчетного обоснования параметров выходных участков реконструируемых трубчатых водовыпусков.

Для достижения поставленной цели был решен ряд задач:

- выполнен анализ современных средств регулирования водоподачи;

- уточнена классификация гидродинамических водовыпусков;

- изучены достоинства и недостатки существующих гидродинамических регуляторов расхода и определены возможные способы модификации сооружений;

- на физических и численных моделях исследованы гидравлические характеристики коротких несимметричных прямоугольных диффузоров с высокой степенью расширения при наличии дефлекторов;

- обоснована эффективность применения дефлекторов в коротких несимметричных диффузорах с высокой степенью расширения, изучено влияние геометрических параметров дефлекторов на гидравлические характеристики диффузоров и разработаны рекомендации по расстановке дефлекторов;

- экспериментально изучены гидравлические характеристики регуляторов расхода с усовершенствованными вариантами исполнения проточной части, в том числе с диафрагмой в камере слияния;

- проверена возможность использования существующих расчетных зависимостей для определения диапазона регулирования по напорам водовыпусков с усовершенствованной проточной частью;

- разработана методика расчетного обоснования геометрических параметров диффузоров и диафрагм реконструируемых трубчатых водовыпусков и программа, реализующая расчеты;

- определены статические характеристики регуляторов для возможной оценки их дальнейшего использования в системах каскадного регулирования во-доподачи.

Научная новизна работы состоит в:

- определении гидравлических характеристик несимметричных коротких прямоугольных диффузоров с высокими степенями расширения при наличии направляющих лопаток (дефлекторов), в том числе: коэффициентов Кориолиса и коэффициентов местных сопротивлений при выходе потока в нижний бьеф и при работе в сети;

- разработке рекомендаций по установке дефлекторов в проточной части несимметричных коротких диффузоров с высокой степенью расширения из условий снижения гидравлического сопротивления и обеспечения равномерности распределения скоростей в выходном сечении;

- оценке влияния формы, способов расстановки и числа дефлекторов на гидравлические характеристики диффузоров;

- разработке усовершенствованных конструкций проточной части регуляторов расхода воды по нижнему бьефу, в том числе имеющих диафрагму в камере слияния, и обеспечивающих увеличение диапазона регулирования при конструктивной простоте исполнения;

- разработке методики расчетного обоснования геометрических параметров диффузоров и диафрагм и определения гидравлических характеристик реконструируемых водовыпусков для различных вариантов труб в случаях увеличения либо сохранения пропускной способности исходного сооружения;

- изучении пропускной способности гидродинамических регуляторов рас-

хода по нижнему бьефу усовершенствованной конструкции;

- определении динамики гидравлических характеристик водовыпусков в процессе регулирования: коэффициента Кориолиса для транзитного и управляющего потоков в камере слияния, коэффициента сжатия транзитного потока управляющим;

- оценке приемлемости существующих расчетных зависимостей по определению предельного диапазона регулирования по напорам для регуляторов с усовершенствованной проточной частью;

- определении статических характеристик регуляторов с усовершенствованной проточной частью.

Практическая значимость диссертационного исследования. Для получения гидродинамических регуляторов расхода автоматического действия разработана методика привязки расширяющегося выходного участка к реконструируемым водовыпускам и программа, реализующая расчеты. Полученные значения коэффициентов гидравлических сопротивлений диффузоров могут быть использованы в качестве справочных данных при выполнении гидравлических расчетов напорных систем и гидротехнических сооружений, а рекомендации по способам размещения дефлекторов использованы при проектировании диффузоров с высокими степенями расширения.

Предлагаемые усовершенствованные конструкции гидродинамических регуляторов расхода являются простыми в технологическом исполнении, позволяют увеличить диапазон регулирования и снизить материалоемкость конструкции. Результаты исследований и разработок отвечают целям, поставленным в Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года.

Методология и методы исследования. Основы анализа исследований строились исходя из анализа литературных источников по теме диссертации, теории планирования эксперимента, общих законов и уравнений гидравлики, современных возможностей численного моделирования несжимаемых турбулентных течений, методов математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

- гидравлические характеристики несимметричных коротких прямоугольных диффузоров при различных способах установки дефлекторов;

- рекомендации по установке дефлекторов в коротких несимметричных диффузорах с высокой степенью расширения, позволяющие снизить коэффициент сопротивления и обеспечить равномерность распределения скоростей в выходном сечении диффузора;

- усовершенствованные формы исполнения проточной части гидродинамических регуляторов расхода;

- методика расчетного обоснования геометрических параметров диффузоров и диафрагм и определения гидравлических характеристик реконструируемых водовыпусков для различных вариантов труб в случаях увеличения либо сохранения пропускной способности исходного сооружения.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Результаты теоретических расчетов не противоречат работам основам теории гидродинамического регулирования расхода и классической гидравлики, в научной и справочной литературе. Используемые методы проведения и оценки точности результатов физического эксперимента соответствуют требованиям ГОСТ Р ИСО 5725-2002. Качество полученных экспериментально зависимостей проверено в большом объеме с использованием методов математической статистики. Численное моделирование течения выполнено в международно-сертифицированном программном комплексе STAR CMM+. Данные, полученные теоретическим путем, данные физического эксперимента и численного моделирования течения достаточно хорошо согласуются.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры информационных технологий в строительстве и кафедры комплексного использования водных ресурсов и гидравлики Института природообустрой-ства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, а также на конференциях: научно-практической конференции с международным участием «XLII Неделя науки СПбГПУ», г. Санкт-Петербург, ФГАОУ ВО «Санкт-

Петербургский политехнический университет Петра Великого», 2-7 декабря 2013 г.; 71-ой всероссийской научно-практической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», г. Самара, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», 7-11 апреля 2014 г.; международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России», г. Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева», 22-25 апреля 2014 г.; международной научной конференции «Научное и кадровое обеспечение продовольственной безопасности России», г. Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева», 2-4 декабря 2014 г.; X международной научно-практической конференции «Перспективные вопросы мировой науки», Болгария, г. София, 17-25 декабря 2014 г.; международной научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 150-летию РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева», 2-3 июня 2015 г.

Результаты основных положений диссертационного исследования изложены в 11 печатных работах, в том числе 5 статей опубликовано в рецензируемых научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 139 наименований, в том числе 17 - на иностранном языке. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 68 рисунков и 30 таблиц, текст дополняют приложения.

ГЛАВА 1 КРАТКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА И НАПРАВЛЕНИЯ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

1.1 Технические средства регулирования водоподачи на открытых каналах

Для гарантированного обеспечения водными ресурсами регионов и отраслей экономики страны необходимо приоритетное решение задач ресурсосбережения, формирования рационального использования водных объектов и снижение непроизводительных потерь воды [83]. На нужды мелиорации в среднем по стране тратится около 20% электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством [91]. Перспективным является использование возобновляемой энергии - гидравлической энергии потока для регулирования технологических процессов водораспре-деления на оросительных каналах.

Использование энергии потока включает: силовое воздействие потока на элементы водопропускных сооружений; целенаправленное формирование характеристик потока при движении (изменение сжатия потока при истечении из-под щитов, деформацию падающей струи); воздействие на поток конструктивными элементами; целенаправленное использование особенностей протекания потока в напорных трубчатых сооружениях [16]. Эти принципы легли в основу ряда систем автоматизации технологических процессов на мелиоративных объектах, первые из которых были разработаны еще в начале 20 века Д. П. Рузским [85, 86] и В. Д. Журиным [46, 47]. В 50-х годах Ф. И. Пикаловым были рассмотрены водомерно-регулирующие сооружения [81]. С 1960 по 1990 гг. вклад в исследования эксплуатационных характеристик гидроавтоматов внесли работы Я. В. Бочкарева [13, 14, 15], А. И. Авдеева [3], Ш. С. Бобохидзе [12], А. А. Гартунга [31], А. С. Лугового [65], Э. Э. Маковского [67, 68], И. С. Меркурьева [71], А. И. Рохмана [84], И. Б. Хамадова [112, 113] и многие другие. Среди зарубежных исследователей можно выделить работы P. Alexandre [126], P. Aughton [128], P. Bernard [133], P. F. Danel [129], J. L. Dubouchet [127], P. W. Heath [130], F. Laszlo [131], Y. Ponsar [132], A. R. Robinson [136], F. Wakamori [134] и другие.

С 1990 г. по настоящее время вопросам разработок гидроавтоматов и изучению гидравлических характеристик посвящены работы В. Н. Щедрина [118, 119], О. В. Атамановой [7], Г. Л. Батина [8], Р. С. Бекбоевой [9], Д. М. Бенина [11], О. В. Гаврилиной [20], О. В. Зайцевой [49], С. В. Кибальникова [59], П. И. Коваленко [60], К. М. Мелихова [70], А. А. Пахомова [79, 80], Ю. А. Свистунова [89], В. Ф. Скворцова [92], В. Л Снежко [99], С. И Хусни [115], Г. П. Фроловой [111], Е. С. Шаниной [116].

Для автоматизации водоподачи предложено множество конструктивных средств регулирования расхода. Согласно развернутой классификации принципов, способов и средств регулирования водоподачи, предложенной О.В. Атамановой, все гидравлические системы - регуляторы и стабилизаторы расхода воды используют следующие принципы [7]:

- поддержание постоянного напора воды над отводом;

- изменение площади работающего отверстия обратно пропорционально \/~Н ;

- изменение коэффициента расхода функции ;

- использование динамических свойств потока;

- регулированием уровня нижнего бьефа воды;

- использование двух или более принципов.

Гидродинамические регуляторы расхода воды по принципу регулирования относятся к третьей группе - изменение коэффициента расхода в функции Тя,

поэтому данную группу сооружений рассмотрим более подробно.

Уточненная классификация сооружений, работающих по принципу изменение коэффициента расхода в функции \/~Н , приведена на рисунке 1.1. Рассмотрим

некоторых типичных представителей этой классификации с указанием возможных диапазонов их применения на мелиоративных каналах.

Использование гидравлических сопротивлений

Изменение коэффициента расхода в функции Н1/2

Использование противотока основному потоку неподвижными конструкциями

Использование гидравлических соединений от подвижных конструкции

Использование дополнительных

гидравлических потерь при слиянии напорного транзитного и управляющего потоков_

конструкциями с рассредоточенными перегородками

автоматами, создающими вихревые потоки в камерах

пневмогидравличес-кими регуляторами, работающими за счет давления в трубе

стационарными автоматами со встречными струями

стабилизаторами расхода по типу «коробчатый щит»

авторегулятора ми расхода с подвижными элементами

конструкции с расширяющимся низовым участком -1-

диффузоры с плавным роспуском потока

диффузоры с высокими степенями расширения

АН <1м

Автомат :

1. В.Д. Жупина АН=(0,2-0,4)м;

2. Модуль Альфа АН=(0,20-0,35)м;

3. В.Я. Гладких АН=0,24 м;

Модуль Джибба АН=(0,10-0,40)м

Автомат:

1. В.С. Мисенева АН=(0,15-0,20)м

2. Н.О.Филипова

АН=(0,25-0,50)м;

Автомат:

1. А.И. Бредиса АН=(0,15-0,20)м;

2. Модули фирмы «Нейприк» (щиты наклонные и цилиндрические) АН=(0,10-0,20)м;

3. Модуль Канна

АН<0,25 м; 4. Я.В. Бочкарева, А.С. Лугового АН<0,5 м;

1. Модуль фирмы «Согоеан» АН=(0,16-0,24) м;

2.Автоматы Пенджабского ин-та АН<0,3 м;

3. И.Б. Хамадова, А.А. Гартунга АН=(0,13-0,47)м;

4. Ломаный телескопический коробчатый щит АН<0,45 м;

5. Коробчатый моноблок АН<0,60 м;

Автомат

Э.Э. Маковского АН=(0,15-0,50) м;

1. Модуль Кеннеди АН<0,3м;

2. Автомат К.И. Лубны-Герцика АН=(0,40-0,50)м;

АН = (1-2) м

3. Сифон-регулятор нижнего бьефа АН=(0,30-1,50) м;

6. Ступенчатый секционный коробчатый щит (ССКЩ) АН=(0,75-1,60) м;

3. Регулятор С.И. Хусни АН=(0,20-1,3)м;

АН > 2 м

7. Двух коробчатый щит (ССКЩ) АН<5 м;_

4. Стабилизатор В.Л. Снежко АН<6 м;

Стабилизатор - Д.М. Бенина АН<6 м;

Рисунок 1.1 - Расширенная классификация сооружений, работающих по принципу изменение коэффициента расхода в

функции 4и.

Гидравлические сопротивления при регулировании использует ряд устройств с рассредоточенными перегородками. Гидроавтомат В. Д. Журина приведен на рисунке 1.2 [47]. Он состоит из плоского затвора 1 и водопропускной трубы 2 с диафрагмами 3 и рекомендуется при небольших уклонах и больших наполнениях в верхнем бьефе Нвб=(0,8^1) м при максимальном напоре Н=0,40 м.

Рисунок 1.2 - Гидроавтомат В. Д. Журина: 1 - плоский затвор; 2 - водопропускная труба; 3 - диафрагмы.

Модуль Альфа (рисунок 1.3) состоит из полукруглой трубы 1, перекрытой крышкой 2, изогнутой в виде прямоугольника и снабженной диафрагмами 3, края которых срезаны наискось, а высота убывает от выходного сечения к входному.

Рисунок 1.3 - Конструктивная схема водовыпуска Альфа [85]: 1 - полукруглая труба; 2 - крышка в виде прямоугольника; 3 - диафрагмы.

Размеры трубы должны быть рассчитаны так, чтобы при наименьшем напоре Нтт уровень воды касался острия нижней диафрагмы. Тогда при небольшом возрастании напора некоторые из диафрагм будут погружены в воду и, тем самым, оказывать сопротивление движению потока. Модуль Альфа используется в качестве водовыпуска из канала старшего порядка в каналы, младшего или отвода

к потребителю постоянного расхода, при максимальном уровне верхнего бьефа Нвб=1 м, и максимальном диапазоне регулирования ДН=0,35 м.

Автоматом, создающими вихревые потоки в камере, является модуль Джибба, приведенный на рисунке 1.4 [86]. Он состоит из рабочей камеры 1, имеющей в горизонтальной плоскости закругление на 180°; подводящей трубы 2. В рабочей камере устанавливаются в радиальном направлении диафрагмы 3. Их нижнее очертание назначается так, чтобы при минимальном напоре диафрагмы не стесняли сечения, но при росте уровня воды верхнего бьефа создавали дополнительное сопротивление, препятствующее возрастанию расхода. При установившемся вращательном движении в камере горизонт свободной поверхности в радиальном сечении получает параболическое очертание, диафрагмы, срезая наибольшие скорости у внешней стенки камеры, создают большие местные потери напора. Модуль Джибба предназначен для установки в открытых каналах при отсутствии наносов, больших уровнях верхнего бьефа Нвб>1 м, с максимальном диапазоном напора ДН<0,4 м. Он относится к сооружениям, автоматически регулирующим постоянство расхода за счет роста местных сопротивлений.

б

Рисунок 1.4 - Водовыпуск Джибба: а - поперечный разрез; б - рабочая камера, вид сверху; 1 - рабочая камера; 2 - подводящая труба; 3 - диафрагмы.

Пневмогидравлический регулятор В. А. Глазьева, работающий за счет давления в трубе (сифоне) представлен на рисунке 1.5 [1]. Принцип работы сифон-регулятора расхода следующий: при превышении уровня воды в подводящем канале выше 10 см отметки входного отверстия зарядного насадка 2 осуществляется запуск сифона и плоского щита 1. При помощи открытия водовыпускного отверстия 18 устанавливают уровень воды в водобойном колодце 15, а штанговую установку 9 устанавливают на расчетную отметку. Тогда под действием веса поплавка 10 рабочий рычаг повернется вокруг оси по часовой стрелке, и регулирующий клапан 11 плотно перекроет воздуховпускной штуцер воздухоприемной камеры 6, что приведет к изоляции сифона от атмосферы.

Рисунок. 1.5 - Сифон-регулятор расходы воды: 1 - плоский щит; 2 - зарядный насадок; 3 - пневмотрубка; 4 - сифон; 5 - разрядная трубка; 6 - воздухоприемная камера; 7 - шкаф управления; 8 - рычаг; 9 - штанговая установка; 10 - поплавок; 11 - регулирующий клапан; 12 - перфорированное дно; 13 - водоприемный патрубок; 14 - водосливной порог; 15 - водобойный колодец; 16 - подпорная стенка; 17 - верхняя камера;

18 - водовыпускное отверстие.

При движении воды через зарядный насадок 2 на его входе создается вакуум, под действием которого уровень воды, достигнув гребня сифона, перельется через него, захватывая с собой воздух в водобойный колодец, что обеспечит запуск регулятора в работу. По мере увеличения расхода через сифон и при достижении уровня в водобойном колодце отметки ватерлинии и дальнейшем его росте до уровня установки поплавкового датчика, последний всплывает и открывает воздуховпускной штуцер. Воздух из атмосферы засасывается под капор сифона на гибкой разрядной трубке 5, что уменьшает разрежение под капором и препятствует дальнейшему увеличению расхода воды через сифон. Диапазон устойчивого регулирования по расходу составляет 0,05-1,00 м /с.

Другим примером сооружения, изменяющего расход с помощью пневмо-гидравлического давления, служит разработанный СевНИИГиМом автоматический регулятор Г. Л. Батина [8].

Сооружениями автоматического регулирования расхода воды, работающими по принципу слияния обратных встречных струй по отношению друг к другу и основному потоку, являются гидроавтоматы фирмы «Согреан» и затворы Пенджабского инстититута [113]. К этой группе также можно отнести разработанный институтом «Средазгипроводхлопок» стабилизатор расхода (авторы И. Б. Хама-дов, А. Л. Гартунг, Л. С. Литвак, Л. А. Ом). Стабилизатор, приведенный на рисунке 1.6, состоит из следующих элементов [112]: неподвижных закладных частей -корпуса с порогом водослива 1; пазов для перемещения щита; рамы со шкалой значения постоянных расходов воды и с отверстием для замка, присоединение которого исключает возможность подъема затвора вверх; подвижных частей -скользящего плоского затвора с одиночным (либо двойным) наклонным козырьком 2, предназначенным для увеличения гидравлических сопротивлений потока. Постоянство расхода достигается за счет изменения местных сопротивлений и сжатия потока с увеличением уровня воды в верхнем бьефе.

Стабилизатор расхода рассчитан на максимальную пропускную способность ^=(0,2-0,5) м/с с допустимым пределом колебаний уровня воды в верхнем бьфе Нвб =(0,18-0,7) м, и допустимым перепадом уровней бьефов 0,13-0,47 м.

Рисунок 1.6 - Автомат И. Б. Хамадова, А. А. Гартунга: 1 - порог-водослив практического профиля; 2, 3 - передний и задний наклонные

козырьки; 4 - винтовой подъемник.

Использование противотока основному потоку с помощью неподвижных конструкций применяется в стабилизаторах расхода «коробчатый щит», устанавливаемых на открытых каналах, водозаборных гидроузлах и в неглубоких бассейнах суточного регулирования. Сооружения имеют ряд модификаций: ступенчатый секционный коробчатый щит; двух коробчатый щит; коробчатый моноблок с гидроприводом управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гайсин Айнурт Альбертович, 2016 год

г - 2^

КР.

1 1 — е

1 — тгг — Я

К2 ^ е2

к

Л—ею +1, (4.10)

V Q ю У тр.

где 5' - относительная величина заглубления, 5'=5/ктр., 2ш1п - напор, при котором работает водовыпуск без диффузора-регулятора; ктр. - высота труб в свету; ^ - коэффициент изменения расхода после реконструкции; ^ - коэффициент расхода действующего водовыпуска; вю - коэффициент сжатия по площади (при отсутствии диафрагмы 8=1); Л - затопление верхней кромки выходного сечения трубы действующего водовыпуска: Л=Ннб+Лн-к1р., здесь Ннб. - глубина воды в нижнем бьефе; Лн - заглубление нижней кромки поперечного сечения водовыпус-ка ниже дна отводящего канала.

Если водопропускное сооружение выполнено из труб круглого поперечного сечения, надстраиваемых прямоугольными диффузорами с квадратным поперечным сечением, равным по высоте диаметру труб водовыпуска, то формула 4.10 примет вид:

2

__Ш1П

0,785dтр.

2

1 1 — е2

1 — — Я

2 ^ Л + 1,7854.

ю

К 2 ^Р. е2

V ^ ью У "-'"тр.

тр- — ею +1, (4.11)

0,7854

где 4рр. - диаметр труб действующего водовыпуска.

ю

Коэффициент 0,785 в формуле 4.11 получен из условия равенства поперечного сечения круглой трубы и прямоугольника, имеющего горизонтальную сторону, равную dтp..

А + 1,785d

Величины zmin/hтp и А/hтp для квадратных труб (zmin/0,785dтp и-—

0,785dгp.

для круглых труб) характеризуют соответственно существующий напор на водо-выпуск и заглубление под уровень нижнего бьефа верхней кромки выходного сечения трубы. Эти величины всегда известны для конкретного водопропускного сооружения.

Стеснение выходного сечения диафрагмой, необходимое при реконструкции водовыпусков диффузорами различного типа для увеличения их пропускной способности на заданную величину, определяется по диаграммам, приведенным на рисунке 4.6. Использование этих данных позволяет получить серию кривых, определяющих относительное подтопление выходного сечения регулятора при отсутствии управляющего потока:

5

для квадратных труб 5' = —, (4.12)

V 5

для круглых труб 5' =-, (413)

0,785dгp.

Пример определения относительного подтопления выходного участка труб приведен на рисунке 4.10 для водовыпусков квадратного поперечного сечения и значениях ^^тр )=0,5 и (А/^р.^ОД Если при требуемом изменении расхода ^ значение 5'<0, то требуется заглубление нижней кромки сечения с диафрагмой на величину 5.

Положительные значения 5 показывают, на какую величину будет подтоплено управляющее отверстие, расположенное на крышке диффузора. Если есть возможность выбора конструкции диффузорного участка, то лучше принять ту, у которой значения 5 имеют минимально возможное положительное значение.

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1

У '

,7 0, 75 0 8 0, 85 0 9 0, 95 1

цтр.=0,8 -цтр.=0,7

К0

цтр.=0,6

а

цтр.=0,5 -цтр.=0,4

0,6 0,5 0,4 5' 0,3 0,2 0,1 0,0

0,7

0,75

цтр.=0,8 -цтр.=0,7

0,85 К0 цтр.=0,6

в

0,9

0,95

цтр.=0,5 -цтр.=0,4

5'

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1'

—' /—у

,7 0, 75 0, 8 0, 85 0, 9 0, 95 1

К

о

5'

-цтр.=0,8 -цтр.=0,7 -цтр.=0,6 -цтр.=0,5

б

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

цтр.=0,4

0,7

0,75

цтр.=0,8 -цтр.=0,7

0,85

Ко

цтр.=0,6

г

0,9

0,95

ю ю

цтр.=0,5 -цтр.=0,4

Рисунок 4.10 - Относительный коэффициент подтопления для реконструируемых водовыпусков квадратного поперечного сечения: а - вариант №4; б - вариант №3; в - вариант №2; г - вариант №1.

5

1

1

Если при реконструкции необходимо оставить пропускную способность существующего водовыпуска неизменной, удобнее использовать кривые, приведенные на рисунке 4.11.

8'

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1

,4 0 5 0, 6 0, 7 0 8 0

И

тр.

вариант №4

вариант №3

вариант №2

вариант №1

Рисунок 4.11 - Относительный коэффициент подтопления для реконструируемых водовыпусков квадратного поперечного сечения при сохранении пропускной

способности.

При напорах на водовыпуске, меньших, чем диаметр труб, практически все рассмотренные регуляторы не требуют заглубления сечения с диафрагмой ниже дна отводящего канала. Регуляторы, получаемые с помощью диффузоров с высокими степенями расширения, имеют при прочих равных условиях меньшее подтопление управляющего отверстия, что в дальнейшем положительно сказывается на диапазоне регулирования.

Если напор на сооружение больше или равен диаметру труб водовыпуска, кривые 5'=ДК^ ^рр.) будут смещены вниз так, как это показано на рисунке 4.12 для случая (^У^гр )=1,1 и (Д/^р.)=0,5. При достаточно больших напорах на сооружение и высокой пропускной способности реконструируемого водовыпуска

целесообразнее использовать диффузоры с разделительными стенками, так как они не требуют заглубления сечения с диафрагмой.

При сохранении пропускной способности исходного водовыпуска и напоре на сооружение, большем или равном диаметру труб водовыпуска, удобно использовать кривые, связывающие относительную величину подтопления с коэффициентом расхода. Пример таких кривых, построенных для случая (^У^р )=1,1 и (Д/^р.)=0,5 приведен на рисунке 4.13.

0,8 0,6 0,4 0,2 0

8 ' 0 -0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1

И

тр.

вариант №4

вариант №3

вариант №2

вариант №1

Рисунок 4.13 - Относительный коэффициент подтопления для реконструируемых водовыпусков квадратного поперечного сечения при сохранении пропускной

способности

Для удобства расчетов создан специальный файл-шаблон, в котором все кривые 5 ' =/Kq, Цгр.) перестраиваются при введении конкретных значений величин (zmin/hrp )=const и (A/hTp.)= const. Таблицы полученных значений приведены в Приложении Б, В.

5'

0,8 -

0,6 -

0,4 -

0,2 -

0,0 --0,2 0

-0,4 --0,6 -0,8

-1,0 -

7 0 75 0 8 0 85 0

,7 0, 8 0, 9 0, 9 0,

цтр.=0,8

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

цтр.=0,7

К0

цтр.=0,6

а

цтр.=0,5

цтр.=0,4

-0,2

75 0 75 0 85 0 85 0 95 1 95 1

,7 0, ,7 0, 8 0, 8 0, 9 0, 9 0,

цтр.=0,8 -цтр.=0,7

К

цтр.=0,6 в

цтр.=0,5 -цтр.=0,4

5'

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 --0,2 0 -0,4 -0,6 -0,8 --1,0

---

7 П о. 75 0 -—" — .ц П 1 85 0 85 0 95 1

,7 0, 8 °

5'

цтр.=0,8

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

цтр.=0,7

К0

цтр.=0,6

б

цтр.=0,5

цтр.=0,4

ю

0,7

цтр.=0,8

0,75

цтр.=0,7

0,85

К

цтр.=0,6

г

0,9

0,95

цтр.=0,5

цтр.=0,4

Рисунок 4.12 - Относительный коэффициент подтопления для реконструируемых водовыпусков квадратного поперечного

сечения: а - вариант №4; б - вариант №3; в - вариант №2; г - вариант №1.

5

1

4.4 Варианты исполнения проточной части регуляторов

Регуляторы расхода, получаемые при дооборудовании трубчатых водовы-пусков диффузорами с высокой степенью расширения, позволяют увеличить расход реконструируемого водовыпуска в более широких пределах при минимально возможном подтоплении сжатого сечения и благоприятном скоростном режиме в нижнем бьефе. Целью экспериментальных исследований стало определение гидравлических характеристик предлагаемых регуляторов, в том числе для наиболее сложного случая - сохранения после реконструкции пропускной способности исходного водовыпуска и максимальном стеснении выходного сечения диафрагмой.

В зеркальном гидравлическом лотке была экспериментально исследована работа гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу с различной формой исполнения проточной части: с плоским коротким диффузором, имеющем разделительные стенки; с несимметричным коротким диффузором, оборудованном дефлекторами; с диафрагмой и несимметричным коротким диффузором с дефлекторами (Таблица 4.2).

Таблица 4.2 - Формы проточной части гидродинамических регуляторов

Вариант Степень расширения диффузора П1 Угол расширения диффузора в горизонтальной плоскости, у° Угол расширения диффузора в вертикальной плоскости, 9° Вид дополнительных устройств в диффузоре

1 4 30 0 2 разделительные стенки

2 4 30 5 3 ряда дефлекторов

3 4 30 5 3 ряда дефлекторов и диафрагма во входном сечении

В отличие от существующих конструкций регуляторов, все предлагаемые варианты имели короткие диффузоры с большой степенью расширения щ=4 и наиболее удобную конструктивно камеру слияния, в которой прямой угол подвода потока управления р=90° обеспечивала вертикальная стенка. Относительная площадь бокового подвода управляющего потока равнялась ю3/®!=1 для регуля-

торов без диафрагмы. Ширина водосливного фронта Ьвод. во всех вариантах принималась постоянной и равной диаметру транзитного водовода.

Первый вариант регулятора в качестве концевого участка имел плоский диффузор с углом горизонтального расширения у=30° при наличии двух разделительных стенок (рисунок 4.14 а, б).

Второй вариант регулятора имел концевой участок в виде прямоугольного диффузора с углом горизонтального расширения у=30° и вертикального 0=5° при установке направляющих лопаток (рисунки 3.4^3.8 и 4.14. в, г). Целью плавного наклона крышки диффузора было не только некоторое сокращение его длины, но и обеспечение полного стока воды из наддиффузорного пространства после прекращения процесса регулирования.

Третий вариант модели регулятора отличался от второго варианта конструкцией камеры слияния: во входном сечении диффузора была установлена диафрагма с относительной высотой а'/4гр=0.53, что соответствовало относительной площади бокового подвода ю3/ю1=1,875 (рисунок 4.14. д, е). Размеры диафрагмы были назначены из условия равенства коэффициента расхода трубчатого водовы-пуска квадратного поперечного сечения коэффициенту расхода этого же во-довыпуска ц0, но дооборудованного диффузором (рисунок 4.5 первый маркер или рисунок 4.6 а значение ^=1).

Поскольку в число исследованных вопросов входила возможность реконструкции существующих напорных трубчатых водовыпусков, отдельно была исследована модель трубчатого водовыпуска, имеющего тот же диаметр и материал (органическое стекло), что и транзитная часть регулятора, и длину, соответствующую длине транзитной части регулятора.

Модели регуляторов исследовались при отсутствии и наличии процесса регулирования.

Рисунок 4.14 - Модели гидродинамических регуляторов расхода: а, б - с плоским диффузором с углом горизонтального расширения у=30° при наличии двух разделительных стенок; в, г - с прямоугольным диффузором с углом горизонтального расширения у=30° и вертикального 0=5°при установке направляющих лопаток; д, е - с прямоугольным диффузором с углом горизонтального расширения м и вертикального а=5°при установке направляющих лопаток и диафрагмы во входном сечении камеры слияния: 1 - квадратная труба; 2 - камера слияния; 3 - плоский диффузор; 4 - разделительные стенки; 5 - водослив с острой кромкой; 6 - наддиффузорное пространство; 7 - прямоугольный диффузор;

8 - направляющие лопатки; 9 - диафрагма.

Экспериментально определялись пропускная способность каждой модели, скорости в выходном сечении, глубины в верхнем и нижнем бьефах, пьезометрическое давление по трассе водовыпуска. На основании экспериментальных данных получены коэффициенты расхода и местных гидравлических сопротивлений, распределение скоростей в камере слияния и в выходном сечении регулятора, коэффициенты Кориолиса.

4.5 Коэффициент сжатия транзитного потока управляющим

Коэффициент сжатия транзитного потока управляющим в во входном сечении диффузора входит в формулы для определения относительного коэффициента регулятора ц' и пределов регулирования по напорам. Известно, что положение линий тока в камере слияния связано с особенностями ее конструкции, а величина коэффициента сжатия может быть определена по существующей зависимости [99]:

в = 1 - а • т, (4.14)

где а, k - эмпирические коэффициенты, зависящие от конструкции камеры слияния.

Для предложенных форм исполнения камеры слияния граница сливающихся потоков определялась экспериментально (фотофиксацией при подкрашивании управляющего потока) и при помощи численного моделирования течения в программном комплексе STAR-CCM+. В опытах граница раздела потоков прослеживалась довольно четко на расстоянии до одного диаметра транзитного водовода от входного сечения диффузора, после чего потоки смешивались (рисунок 4.15). С учетом этого коэффициент сжатия транзитного потока управляющим определялся в крайней точке камеры слияния (сжатом сечении) по выражению:

в = Ют.с. = Ьтс. ' ^с. = /7тс. ^упр. (4 15)

®сж. Ьсж. ' /сж. /сж.

где ютс. - площадь, занимаемая транзитным потоком в сжатом сечении;юсж. -площадь сжатого сечения; /тс. - высота, занимаемая транзитным потоком в сжа-

том сечении; /упр. - высота, занимаемая управляющим потоком в сжатом сечении; /сж. - высота сжатого сечения.

Камера слияния гидродинамических регуляторов расхода в отличие от стабилизаторов представляет «неполный тройник» из-за отсутствия ярко выраженного рукава бокового подвода. Методом наименьших квадратов для рассматриваемых вариантов гидродинамических регуляторов были получены значения коэффициентов а и ^ которые представлены в Таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Значения а и k

а k

ю3/ю1=1

Регулятор с разделительными стенками 0,186 0,062

Регулятор с направляющими лопатками 0,464 0,346

ю3/ю1=1,875

Регулятор с направляющими лопатками при наличии диафрагмы 0,314 0,238

На рисунке 4.16 приведены экспериментальные значения коэффициента сжатия и эмпирические кривые, полученные с использованием полученных значений коэффициентов. Обрыв графиков соответствует пределу регулирования по напорам или выравниванию горизонта воды в нижнем бьефе и наддиффузорном пространстве.

Для водовыпуска-регулятора с плоским диффузором при наличии разделительных стенок транзитный поток в момент выравнивания горизонта воды в над-диффузорном пространстве и в нижнем бьефе занимал 83% сжатого сечения; при прямоугольном диффузоре с направляющими лопатками при наличии диафрагмы и без нее - 70 % и 80%, соответственно. Очевидно, что вариант исполнения проточной части с диафрагмой обладает более высокой регулирующей способностью.

д е

Рисунок 4.15 - Граница раздела транзитного и управляющего потока в регуляторах: а - эксперимент вариант №1; в - эксперимент вариант №2; д - эксперимент вариант №3; б - численное моделирование вариант №1; г - численное моделирование вариант №2; е - численное моделирование

эксперимент вариант №3.

1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6 е 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

И1

О экспериментальные значения

а

1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6 5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

■эмпирическая кривая

0,2

0,4

0,6

т

О экспериментальные значения

эмпирическая кривая

б

1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0,05

0,1

0,15

т

О экспериментальные значения

эмпирическая кривая

в

Рисунок 4.16 - Коэффициент сжатия транзитного потока управляющим в регуляторах: а - вариант №1; б - вариант №2; в - вариант №3.

0

1

в

0

4.6 Динамика коэффициента Кориолиса в камере слияния

На основании результатов численного моделирования при различных значениях управляющего и транзитного расходов т во всем диапазоне регулирования получены значения коэффициента Кориолиса а для транзитного и управляющего потока во входном сечении диффузора. Для доверительной вероятности 95% средние значения ас.т.и ас.у. составляют:

Вариант №1: ас.т= 1,02; ас.у. = 1,02-1,03 Вариант №2: ас.т= 1,05-1,14; ас.у. = 1,04-1,06 Вариант №3: ас.т= 1,15-1,18; ас.у. = 1,6-1,84

Для первых двух вариантов проточной части значения коэффициентов Ко-риолиса транзитного и управляющего потока во всем диапазоне регулирования незначительно отличаются друг от друга. Для проверки возможности использования одинаковых значений, то есть равенства. ас.т=ас.у. выполнены статистические расчеты. На первом этапе проверена гипотеза о равенстве дисперсий коэффициента Кориолиса в транзитном и управляющем потоках при регулировании. Использован критерий Фишера для проверки равенства дисперсий двух независимых выборок на уровне значимости 5%. Получены значения: для варианта №1 F=0,909 > Fкp= 0,233; для варианта №2 F=13,188 > Fкp= 6,388; для варианта №3 F=59,071 > Fкp= 5,051, следовательно, дисперсии отличаются для всех случаев.

Далее с помощью критерия Стьюдента выполнена проверка гипотезы о равенстве средних значений коэффициентов Кориолиса в транзитном и управляющем потоке для случая неравных дисперсий. Нулевая гипотеза была отвергнута при любых конкурирующих гипотезах для всех трех вариантов, так как неравенство t < не выполнялось: для варианта №1 t=7,702 ^=1,782 ^р2=2,179; для варианта №2 t=2,601 ^р1=2,015 ^=2,571; для варианта №3 t=11,592 ^р1=2,105 ^ф2=2,571. Статистически достоверно доказано, что коэффициенты Кориолиса транзитного и управляющего потоков нельзя принимать равными друг другу даже при незначительных отношениях управляющего и транзитного расходов, характерных для регулирования по нижнему бьефу.

Разность коэффициентов Кориолиса транзитного и управляющего потоков, входящая в основные расчетные уравнения гидродинамического регулирования, определялась по существующей формуле [99]:

а а • т2

Да = - ТТ-ГГ, (4.16)

е (1 - г )

где ас.т. и ас.у. - коэффициент Кориолиса транзитного и управляющего потоков в сжатом сечении, г - коэффициент сжатия; т - относительный регулирующий расход.

На рисунке 4.17 приведены полученные значения Да во входном сечении диффузора для трех исследованных вариантов регулятора. Динамика исследования коэффициента Кориолиса во входном сечении диффузора гидродинамических регуляторов расхода подтвердила известное положение о том, что с увеличением значения управляющего расхода разница между кинетической энергией транзитного и управляющего потоков уменьшается. Однако, при наличии диафрагмы максимальное значение Да достигается при более больших управляющих расходах (порядка т=0,2), в то время как у других конструкций эта величина составляет 0,06^0,08. Только при наличии диафрагмы управляющий и транзитный поток выравнивают свои скоростные поля при достижении предела регулирования по напорам или выравнивании уровней воды в нижнем бьефе и наддиффузорном пространстве.

4.7 Динамика коэффициента расхода регулятора

Следует выделить два режима работы гидродинамического регулятора расхода, обусловленных наличием или отсутствием управляющего расхода в камере слияния. Работа в режиме водовыпуска соответствует равенству уровня воды в нижнем бьефе отметке кромки управляющего водослива. В этом случае расход водовыпуска постоянен, а коэффициент расхода может быть определен по формуле напорного истечения:

1,6 1,4 1,2 1

Да 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Да

0

0,05

0,1 ш 0,15

экспериментальные значения

а

0,2 0,25

эмпирическая кривая

1,8 1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

0

0,02

0,04

0,06 ш

экспериментальные значения

б

0,08 0,1 0,12 эмпирическая кривая

2 1,8 1,6 1,4 1,2 Да 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0 0,2 экспериментальные значения

0,4 ш 0,6

0,8 1 эмпирическая кривая

в

Рисунок 4.17 - Коэффициент Кориолиса во входном сечении диффузора: а - вариант №1; б - вариант №2; в - вариант №3.

Но = , (4.17)

где - расход водовыпуска без регулирования; ю1 - площадь входного сечения камеры слияния; Н - напор, равный перепаду уровней верхнего и нижнего бьефа в створе перегораживающего сооружения.

Изучение каждой из предложенных форм исполнения проточной части водовыпусков-регуляторов происходило в зеркальном гидравлическом лотке. Для определения пропускной способности моделей при отсутствии управляющего расхода исследована работа моделей в напорном режиме. Диапазон изменений напора задавался из условий отсутствия водоворотной воронки перед входным сечением водовыпуска и обеспечения затопления выходного сечения диффузора. В результате исследований экспериментально получен коэффициент расхода водовыпусков с диффузором на концевом участке. При расчете на сжатое сечение (входное сечение камеры слияния) значения коэффициента расхода равны: для плоского диффузора с разделительными стенками ц0=1,07; для прямоугольного диффузора с направляющими лопатками ц0=0,89; для прямоугольного диффузора с направляющими лопатками при наличии диафрагмы во входном сечении камеры слияния ц0=0,75.

Гидродинамический регулятор расхода включается в работу, когда отметка уровня воды в нижнем бьефе превышает отметку водосливной кромки, расположенной на крышке диффузора. При этом через транзитную часть (до камеры слияния) поступает только транзитный расход а через камеру слияния движется расход управления q. Общий расход является суммарным

В результате исследований трех моделей регуляторов экспериментально получен коэффициент расхода регулятора по сжатому сечению (входное сечение камеры слияния) для различных соотношений управляющего и транзитного расходов [27, 28].

Относительный коэффициент расхода гидродинамического регулятора определяется по формуле:

¿ = —, (4.18)

где ^ - коэффициент расхода транзитного потока, ^ = ч ; т - отношение

(т +1)

управляющего расхода к транзитному, т = q|Q; - суммарный коэффициент

а

расхода регулятора, ^Е =-. Л ; - суммарный расход регулятора, = g+Q;

gЯ

ю1 - площадь входного сечения камеры слияния; Н - напор.

Для определения относительного коэффициента расхода транзитного потока гидродинамического регулятора в напорном режиме определялся общий расход гидравлической модели и расход на водосливе диффузора при варьировании уровней нижнего бьефа, а транзитный расход Q определялся разностью суммарного QE и управляющего д расходов.

Для всех вариантов исполнения проточной части были выполнены гидравлические и численные эксперименты. Относительный коэффициент расхода транзитного потока приведен на рисунке 4.18. Анализ экспериментальных данных позволил получить предельные значения относительного коэффициента расхода при предельных значениях сливающихся расходов: для плоского диффузора с разделительными стенками при тпред=0,20 ц'пред=0,65; для прямоугольного диффузора с направляющими лопаткам тпред=0,11 ц/пред=0,77; для прямоугольного диффузора с направляющими лопатками и диафрагмой тпред=0,83 ц'пред=0,44. Именно эти значения сливающихся расходов тпред соответствуют пределу регулирования по расходам или моменту выравнивания горизонта воды в управляющей камере и нижнем бьефе. Значение коэффициента расхода регулятора цпред. в этом случае принято называть предельным.

1,2 1 0,8 Н' 0,6 0,4 0,2 0

1,2 1 0,8 Н' 0,6 0,4 0,2 0

1,2 1 0,8 Н' 0,6

0,4

0,2 0

0,05

0,2

"""""йо^ 1

0,1

т

0,15

а

0 0,02 0,04

0,06

т

0,08 б

0,4 0,6

т

в

о Экспериментальные

значения О Значения численного

моделирования -Теоретические значения

0,2

0,25

л .

-V-4 Х>-О"

О Экспериментальные значения

О Значения численного моделирования

-Теоретические значения

0,1 0,12

О Экспериментальные значения

О Значения численного моделирования

-Теоретические значения

Рисунок 4.18 - Относительный коэффициент расхода транзитного потока: а - вариант №1; б - вариант №2; в - вариант №3.

0

0

1

В гидродинамических регуляторах расхода, разработанных С. И. Хусни [115], максимальное снижение пропускной способности сооружения при плоском диффузоре со степенью расширения «1=1,5 с углом расширения в горизонтальной плоскости у=6° и углом подачи управляющего потока р=135° (в работе приведены данные только для этого угла) составляло при тпред=0,21 Цпред=0,77; то есть 23%; при прямоугольном диффузоре со степенью расширения п1=2,25 с углом расширения в горизонтальной плоскости у=6° и в вертикальной плоскости у=5° для угла подачи управляющего потока р=90° эти значения равны тпред=0,25 ц'пред=0,69; то есть 31%.

Экспериментальные исследования предложенных регуляторов показали, что подача управляющего потока снижает пропускную способность регулятора в первом случае на 35%, во втором на 18%, в третьем на 66%. При этом, угол подвода потока управления конструктивно наиболее прост и равен р=90°. По сравнению с существующими конструкциями пропускная способность регуляторов снижается для плоского диффузора на 16%, для прямоугольного диффузора на 36%.

Второй и третий вариант регулятора имели одинаковый диффузорный выходной участок (диффузор с дефлеторами), но отличались наличием диафрагмы в выходном сечении транзитного водовода (рисунок 4.18 б, в). Наличие диафрагмы при прочих равных условиях отражается на зависимости ц'=/(т). Регуляторы с диафрагмой имеют не только более пологую форму этой кривой, но и увеличенный предел регулирования по расходам. Затопление камеры слияния при их работе происходит при достаточно высоких отношениях управляющего и транзитного расходов тпред. Теоретическое значение относительного коэффициента расхода регулятора ц', определяемое по формуле 1.9, включает коэффициент сопротивления водовыпуска до камеры слияния £т.с., значение которого при наличии диафрагмы на порядок больше. Это же местное сопротивление входит и в уравнение 1.10, позволяющее определить предел регулирования по расходам тпред., причем слагаемое, включающее коэффициент £г.с., имеет положительный знак, чем и объясняются увеличение диапазона регулирования.

4.8 Определение параметров диффузорных выходных участков и пределов регулирования для реконструируемых водопропускных сооружений

Определение предельного колебания уровней нижнего бьефа АНрег., при котором могут работать гидродинамические водовыпуски, является одной из важных задач их гидравлического расчета (рисунок 4.19). Предельная высота регулирования может быть определена по двум уравнениям (1.11) и (1.12), в которых предел регулирования по напорам является функцией таких величин, как: Н0 -разность между отметкой [ УВБ и отметкой водосливной кромки на крышке диффузора; Вк - ширина канала по урезу воды при максимальном снижении водопо-требления; Qmax - максимальный расход регулятора, соответствующий напору Н0 (так как при дальнейшем росте [УНБ расход регулятора будет уменьшаться и достигнет величины Qmin). Предел регулирования по напорам зависит от гидравлических характеристик регулятора и канала, на котором он установлен.

Рисунок 4.19 - Предел регулирования по напорам: 1 - отверстие для подачи управляющего расхода в камере слияния; 2 - верхняя крышка диффузора;

3 - водосливная кромка; 4 - наддиффузорное пространство.

Уравнение 1.11 содержит неизвестную величину АНрег. в обеих частях и решается только численно. Для упрощения расчета считалось, что АНрег.<<Н0 и предлагалось использование зависимости 1.12. Это допущение было справедливо для конструкций регуляторов с малыми углами и степенями расширения и определенным диапазоном регулирования. Совершенствование формы проточной части регуляторов, в частности, использование коротких диффузоров с высокими степенями расширения и применение диафрагм для привязки диффузоров к суще-

ствующим водовыпускам, увеличивает диапазон регулирования по расходам тпред., что неизбежно должно отразиться и на величине диапазона регулирования по напорам. В этом случае выполнение условия ДНрег<<Н0 и возможность использования формулы 1.12 требуют проверки.

Для определения диапазона регулирования по напорам необходимо привязать гидродинамический регулятор расхода к водовыпуску, расположенному на канале, бывшем в эксплуатации. В качестве примера рассмотрен канал, проходящий в земляном русле. Ширина канала по дну ¿=2,5 м, коэффициент заложения откосов т=1.5. Кривая связи h =/(0), построенная при коэффициенте шероховатости, характерном для слегка заросшего ложа с небольшим числом промоин (Таблица 3.7 [45]), приведена на рисунке 4.20.

2,5 2,0 1,5

^ м

1,0 0,5 0,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

Q, м3/с

Рисунок 4.20 - Кривая связи отводящего канала h =/(0).

На канале имеется водопропускное сооружение, выполненное из бетонных труб размером 1х1 метр (рисунок 4.21) [107]. Выходное сечение трубы водовы-пуска заглублено ниже дна подводящего канала на величину р=0,12 м. Глубина воды в створе перегораживающего сооружения со стороны верхнего бьефа Нвб=1,88 м. При максимальном водопотреблении в нижнем бьефе глубина в отводящем канале равна Нвб т^=1,4 м и водовыпуск в напорном режиме пропускает

расход 0гр=2,57м /с. [58, 88] При этом уровень воды в отводящем канале расположен выше верхней кромки выходного сечения трубы на А=0,4м.

II

С1