WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |
В России и за рубежом накоплен значительный опыт исследований сопряжения бьефов, проектирования и конструирования водобойных устройств и крепления, а также существуют несколько методик расчета устройств для гашения энергии, однако, применение гасителей за конусными затворами по-прежнему остается слабо изучено. Изучение литературных источников показало, что существует недостаточно теоретических и экспериментальных данных по применению различных типов гасителей энергии, наиболее часто применяемых при проектировании и строительстве водопропускных гидротехнических сооружений и по местным размывам в нижнем бьефе за конусными затворами. Поэтому автор счел целесообразным посвятить свою диссертационную работу изучению вышеуказанных вопросов. Во второй главе рассмотрены вопросы методики проведения экспериментальных исследований и описание лабораторной установки. Моделирование потока осуществлялось по закону гравитационного подобия с учётом автомодельности по Рейнольдсу. Расходы воды на модели составляли 8…15 л/с, что соответствует натурным расходам 20…36 м3/с (при масштабе модели 1:22,5). Комплексное изучение влияния различных типов гасителей на гидравлические характеристики потока и размыв за конусным затвором производилось на стенде для исследования конусных затворов и нижнего бьефа кафедры гидротехнических сооружений МГУП (рис.1). Питание стенда водой осуществлялось от центральной системы водоснабжения через напорный трубопровод (2). Стенд обеспечивал подачу расхода воды до 80л/с и напора до 30м водоводам (2,3), выполненным из труб диаметром 200мм. Для сглаживания остаточных пульсаций и выравнивания эпюры скоростей концевая часть водоводов (4) была установлена с конфузорами (5) (коэффициент раструбности равен 10). За конфузорами расположен подводящий участок напорного водовода (6) длиной 10D. Регулирование расхода осуществлялось задвижкой (11), расположенной перед напорным баком. Вода, прошедшая через конусный затвор, падает в лоток (7) прямоугольного сечения шириной 80см и длиной 350см и сбрасывается в систему водопроводящих галерей (10), расположенных под полом лаборатории, где проходит через треугольный мерный водослив (8), отметка воды перед которым измерялась шпиценмасштабом (9). Модель конусного затвора изготовлена из металла в масштабе 22,5. Конусный затвор состоял из неподвижного патрубка диаметром D=98мм, к которому на четырех ребрах крепится конус с углом при вершине =900, диаметр конуса Dк=1,16D. Вершина упорного конуса располагается в плоскости торца неподвижного патрубка, образуя таким образом между кромками неподвижного патрубка и поверхностью затвора щель, через которую протекает поток, который перекрывается подвижным регулирующим цилиндром. Устройства для гашения энергии потока в нижнем бьефе представляли собой гасители 3-х типов: с наклонной передней и задней гранью, с наклонной передней гранью и с вертикальной передней гранью, угол наклона =45° (рис.2). Положение гасителя на водобое определялось расстоянием от места соударения струи, вытекающей из конусного затвора, с дном лотка до оси ряда гасителей. В опытах ряд гасителей располагался непосредственно за сжатым сечением. Высота моделей гасителей была принята 2см и 3см. Все они в продольном сечении представляют собой трапецию. Боковые их грани вертикальны. В целях подтверждения достоверности получаемых результатов была осуществлена оценка точности проводимых измерений. Установлено, что предельные относительные ошибки находятся в приемлемых диапазонах для таких гидравлических исследований. В ходе проведения серии опытов, выполненных на модели, сделано сравнение работы различных типов гасителей, различающихся между собой формой и размерами, а также изучались режимы сопряжения бьефов. Оценку эффективности исследованных гасителей производили по высоте второй сопряженной глубины и глубине воронки размыва за сооружением, оборудованным конусным затвором. Расчетные расхода q и соответствующие им размеры и типы гасителей определили собой расчетные случаи, применительно к которым выполнялось исследование. В каждом расчетном случае исследовался один вариант расположения гасителей на водобое. При проведении гидравлических исследований определялось влияние того или иного типа гасителя на вторую сопряженную глубину при работе конусным затвором. После окончательной стабилизации расхода с помощью жалюзей, расположенных в конце лотка, прыжок перемещался в сжатое сечение. Только после этого с помощью шпиценмасштаба определялась вторая сопряженная глубина. В результате исследований было проведено 30 опытов. Методика проведения исследований размывов была следующей: модель заполнялась размываемым материалом, в качестве размываемого материала использовался люберецкий песок (dср=0,26 мм, =2,66 т/м3), который уплотнялся и замачивался. Установка заполнялась водой до отметки нижнего бьефа выше расчетной при закрытых жалюзи. После этого постепенно подавался расход, и открывались жалюзи, а затем устанавливался расчетный расход при расчетном уровне воды в отводящем русле. Этот момент принимался за начало опыта. Остановка модели проводилась в обратном порядке. При этом прекращалась подача воды на модель и вместе с тем, закрывались жалюзи. Уровень воды в отводящем лотке опускался медленно. Как только начинал обнажаться рельеф воронки размыва, по шпиценмасштабу устанавливались точки рельефа, которые были тщательно измерены в местах пересечений нескольких продольных и поперечных створов. Нами были проведены специальные методические опыты по определению времени стабилизации воронки размыва, также учитывались результаты, полученные ранее другими исследователями. В наших опытах полное время стабилизации воронки размыва составило 3 часа. В результате исследований местных размывов было выполнено 75 опытов. В третьей главе анализируется влияние рассмотренных типов гасителей энергии потока на вторую сопряжённую глубину за конусным затвором, а также определяется реакция и коэффициент лобового сопротивления для трёх типов гасителей энергии. При наличии на водобое гасителей необходимая минимальная глубина нижнего бьефа определяется из уравнения количества движения, составленного для отсека жидкости единичной ширины, ограниченного сжатым сечением 1-1 и сечением в нижнем бьефе 2-2:

, (4)

где h1 и h2 – сопряженные глубины прыжка в предельном состоянии, q – удельный расход на водобое, Rx – реакция гасителя (горизонтальная составляющая).

, (5)

где Кс – коэффициент лобового сопротивления гасителя; v – скорость набегающего потока, принимаем равной скорости в сжатом сечении; - площадь миделевого сечения тела, определяется по формуле:

, (6)

где с – высота гасителя; s – ширина гасителя; s0 – расстояние между гасителями в ряду. Реакция гасителей при заданных величинах удельного расхода и сжатой глубины, зависит от следующих факторов: высоты и ширины гасителей; угла наклона их передней грани к горизонту; числа рядов гасителей и расстояния их до сжатого сечения. Построение эмпирической зависимости величины реакции хотя бы одного типа гасителей от всех определяющих её факторов представляет весьма большие трудности. Нами предлагается для некоторых типов гасителей энергии метод расчета, основанный на лабораторных исследованиях, по определения коэффициента лобового сопротивления гасителей, который в некоторой степени учитывает вышеперечисленные факторы, влияющие на реактивность гасителя. Зная значения вторых сопряженных глубин, определенных в результате модельных исследований, была определена реакция гасителя из уравнения (4), а затем определялся коэффициент лобового сопротивления из формулы (5) для трех рассматриваемых типов гасителей. Расчет проводится на один погонный метр, для плоской задачи с учетом следующих допущений: толщина струи на сходе с передней грани гасителя равна сжатой глубине; равномерное распределение скоростей в струе на сходе с передней грани гасителя; при установке в любом сечении под гидравлическим прыжком ряда гасителей скорость в данном сечении не изменяется. На основании экспериментальных исследований получены графические зависимости для определения коэффициента лобового сопротивления и второй сопряжённой глубины для рассмотренных типов гасителей энергии (рис.3 - 4). По графикам можно определить на сколько уменьшилось значение второй сопряженной глубины с учетом влияния различных типов гасителей энергии по сравнению с глубиной без гасителей. Для гасителей 1-го типа это уменьшение составляет 8-12% для с=0,45м и 13-20% для с=0,675 м. Для гасителей 2-го типа – 10-16% для с=0,45 м и 15–24% для с=0,675м. Для гасителей 3-го типа – 12–22% для с=0,45 м и 17-33% для с=0,675м. Следует отметить, что при работе гасителей высотой 0,675 м наблюдалось поднятие потока над поверхностью гасителей, а при малых открытиях затвора возможно образование второго гидравлического прыжка при степени затопления первого гидравлического прыжка 1,1. Поэтому, в дальнейшем, нами рассматривались только гасители энергии высотой 0,45м. Анализируя полученные графики можно заметить, что влияние гасителей 1-го и 2-го типа на вторую сопряженную глубину гораздо меньше и, соответственно, значение коэффициента лобового сопротивления для них меньше, чем для 3-го типа гасителей. Таким образом, показано, что гасители с вертикальной передней гранью дают значительное снижение значений второй сопряженной глубины по сравнению с гасителями с наклонной передней гранью. Четвёртая глава посвящена исследованию размывов за конусным затвором при работе трёх рассмотренных типов гасителей энергии. Основными факторами, влияющими на величину местного размыва при донном гидравлическом прыжке и несвязных однородных грунтах, обычно являются: удельный расход q, глубина воды в нижнем бьефе hнб, число Фруда в сжатом сечении Fr, длина рисбермы Lp, диаметр зерен грунта, слагающего русла d, продолжительность размыва Т. Поэтому максимальную глубину воронки размыва обычно представляют в виде следующей зависимости:

Нр=f(q; Fr; d; hнб; Lр; Т). (7)

Теоретическое решение подобных уравнений (7) весьма затруднено, поэтому в этом случае используются модельные исследования.

Прежде, чем перейти к определению параметров размыва на модели, был рассмотрен процесс размыва в нижнем бьефе во времени. Процесс размыва в нижнем бьефе за конусным затвором можно разделить на две стадии, интенсивный размыв и дальнейшее его развитие в условиях медленно изменяющегося гидравлического режима в воронке размыва. Время стабилизации воронки размыва определялось при пяти открытиях конусного затвора и составило 2,5-3 часа.

Исследования формирования воронки размыва во времени на модели нами производилось при работе конусным затвором при разных его открытиях S = 100%; 80%; 60%; 40%; 20%. Изучение влияния гидравлических характеристик потока на местный размыв в нижнем бьефе велось при длине рисбермы 6hкр для трех рассматриваемых типов гасителей. Названные параметры обосновывались теми параметрами рисбермы, которые обычно устраиваются в нижнем бьефе на нескальных основаниях. Кроме того, следует отметить, что при сравнении размывов, когда рисберма равна длинам 6hкр и 9hкр, их величины уменьшаются незначительно на 3-5%. Поэтому рекомендуется принимать длину рисбермы в пределах (6…9)hкр.

Рельеф полученных воронок размыва показан на рисунках 5-6. Оценив картину размывов, следует отметить, что при всех трех рассматриваемых типах гасителей и разных открытиях затвора наблюдалась аналогичная по характеру и плановому размещению картина формирования воронок размывов, но с другими абсолютными и относительными параметрами. При любых открытиях на модели наблюдались двухполюсные воронки размыва, при том относительно центра струи они располагались весьма симметрично, а плановый характер воронок размыва имеет весьма сложное очертание, что связано с переформированием струи потока при рассматриваемых открытиях затвора. В результате полученных материалов по изучению влияния рассмотренных типов гасителей энергии на характер и глубину размыва при разных открытиях затвора были построены графические зависимости глубины размыва и расстояния до центра воронки размыва (рис.7-8), а также предложены формулы для определения названных выше параметров воронки размыва. При всех рассматриваемых режимах глубина воронки размыва существенно уменьшалась при работе 3-го типа гасителей энергии. Так при открытии затвора S=100% глубина воронки размыва Нр при работе 1-го типа гасителей энергии уменьшилась на 8%, при работе 2-го типа гасителей на 11%, при работе 3-го типа гасителей на 18%. Такое уменьшение глубины воронки размыва обусловлено как уменьшением глубины воды в воронке размыва, так и уменьшением абсолютной величины размыва для 1, 2 и 3-го типов гасителей соответственно. Таким образом, следует отметить, что гаситель с вертикальной передней гранью работает эффективнее и показывает значительное уменьшение глубины воронки размыва по сравнению с гасителями с наклонной передней гранью. На рис.7. наглядно показано, что чем больше относительная удельная энергия потока Е0/hкр, тем больше будет воронка размыва. Это вполне логично, так как поток, имеющий большую энергию способен осуществлять больший размыв. Так при работе 3-го типа гасителей энергии и Е0/hкр =22,5; 27,32 и 33,26 соответственно воронки размывов становятся равными: Нр/h1=3,13; 5,13; 7,90. Аналогичные явления происходят и при работе других типов гасителей энергии. Например, для 1-го типа гасителей энергии и Е0/hкр =22,5; 27,32 и 33,26, значения относительных величин Нр/h1 соответственно равняются 3,51; 5,90 и 9,66, увеличение размывов обусловлено работой гасителя энергии. Влияние типа гасителя энергии сказывается на формировании воронки размыва. Следует отметить, что наименьшее расстояние до центра воронки размыва наблюдалось при открытии затвора 20% и при установке на водобое 3-го типа гасителя энергии, этот факт необходимо учитывать при проектировании устройств нижнего бьефа и назначении длины рисбермы. Вышеизложенные выводы позволяют сделать более глубокие обобщения и разработать рекомендации по расчёту местных размывов за сооружениями, оборудованными конусными затворами, при проектировании устройств нижнего бьефа и прогнозировании размывов за ними. В пятой главе приведены результаты экспериментальных данных по изучению влияния глубины воды в нижнем бьефе на местный размыв за конусным затвором. Глубины воды в нижнем бьефе приводились к натурным условиям и равнялись: 3,6 м; 4,5 м; 5,4 м и 6,3 м. Влияние глубины нижнего бьефа изучалось, как и прежде, при трех рассмотренных типах гасителей энергии потока. На основании проведённых лабораторных исследований нами предложены обобщенные графические зависимости влияния глубины воды в нижнем бьефе на расстояния до центра воронки размыва в зависимости от открытия затвора и типа установленного гасителя энергии, а также обобщенные зависимости влияния типа гасителя энергии и глубины воды в нижнем бьефе на глубину размыва в зависимость от открытия затвора (рис.9-10).

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»