WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

ЛЕНТЯЕВА Екатерина Алексеевна

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИФОННЫХ ВОДОСБРОСОВ НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ

Специальность 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА 2007

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кафедре «Комплексное использование водных ресурсов»

Научный руководитель – кандидат технических наук, профессор

ГУРЬЕВ Алим Петрович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор,

заслуженный работник высшей школы РФ

ВОЛШАНИК Валерий Валентинович 

доктор технических наук, профессор

ХАНОВ Нартмир Владимирович

Ведущая организация – ЗАО ПО «СОВИНТЕРВОД»

Защита состоится 17 сентября 2007 г. в 1500 ч. на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан « 15 » августа 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент,

кандидат технических наук И.М. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время вопрос о реконструкции существующих прудов и малых водохранилищ, как в России, так и за рубежом, становится все актуальнее. С момента строительства на большинстве гидротехнических объектов не было проведено ремонтных работ, изменился климат, уровни обеспеченности расходов. По этим причинам существующие водосбросные сооружение пришли в упадок или не соответствуют требованиям по надежности. В связи, с чем в настоящее время назрела необходимость произвести реконструкцию основных сооружений гидроузлов, в том числе водосбросных сооружений.

Одним из основных требований к процессу реконструкции является условие непрерывной эксплуатации сооружения без опорожнения водоема и жёсткие требования к качеству воды. Всем этим требованиям в полной мере удовлетворяет конструкция трубчатого сифонного водосброса, устройство которого можно осуществить не прекращая эксплуатацию малого гидроузла. Это обеспечивается укладкой водосбросных труб поверх гребня существующей плотины (дамбы).

В данных условиях эти водосбросные трубы будут работать по принципу сифона, поскольку при работе труб полным сечением верхний участок их будет расположен выше уровня, питающего эти трубы. Горло сифона для этой цели располагают на отметке нормального подпорного уровня.

Сифонные водосбросы широко используются в практике гидротехнического строительства для обеспечения автоматического подержания уровня верхнего бьефа в заданных пределах.

Традиционно применяемые сифонные водосбросы имеют прямоугольное поперечное сечение достаточно больших размеров. Зарядка сифона осуществляется отклонением нижней части струи, переливающейся через гребень входного сечения, к шелыге водопропускной трубы. За счет защемления воздуха струей в потолочной части происходит быстрый вынос воздуха и зарядка сифона при небольшом подъеме УВБ (5-10 см). Спецификой работы трубчатых сифонных водосбросов являются незначительные параметры струи в нижней части при малых напорах на гребне входного сечения трубы и низкая эффективность создания вакуума при отжиме струи к верхней части трубы. Следствием этого является необходимость значительного подъема УВБ для зарядки трубчатого сифона. В этих условиях на первый план встает вопрос о времени его зарядки и о максимальной величине подъема УВБ, обеспечивающего работу сифона полным сечением.

Целью работы является научное обоснование и разработка методов расчета пропускной способности и режимов зарядки трубчатого сифонного водосброса, выполненного из стальных труб стандартного диаметра.

Достижение поставленной цели было связано с решением следующих задач:

  • произвести анализ и обобщение результатов предшествующих теоретических методик расчета и гидравлических исследований трубчатых сифонных водосбросов;
  • получить теоретические расчетные зависимости, позволяющие определить продолжительность переходных режимов работы сифонного водосброса;
  • осуществить экспериментальное обоснование возможности использования сифонных водосбросов в гидротехнической практике при реконструкции гидроузлов;
  • определить пропускную способность сифона при различных режимах работы;
  • разработать рекомендаций по совершенствованию конструкции сифонного водосброса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • получены теоретические расчетные зависимости для определения времени зарядки сифона;
  • предложены теоретические зависимости пропускной способности сифона при наличии воздушного пространства в надструйном пространстве;
  • установлены расчетные зависимости параметров струи при работе сифона в режиме водослива;
  • получены экспериментальные данные для определения времени зарядки сифона;
  • получены экспериментальные данные, позволяющие осуществлять гидравлические расчеты сифона в зависимости от уровней верхнего бьефа, вакуумного режима в трубе сифонного водосброса, изменения давления в сифоне в зависимости от уровня верхнего бьефа;
  • определены максимальные значения уровня верхнего бьефа в зависимости от скорости его подъема;
  • реализована качественная оценка влияния конструктивных параметров на пропускную способность сифона

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований и предложенные расчетные теоретические и экспериментальные зависимости позволят выполнять гидравлические расчеты трубчатых сифонных водосбросов и их проектирование в широком диапазоне параметров малых гидроузлов.

Достоверность результатов обоснована совпадением теоретических и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены с использованием протарированных приборов, средств измерения давлений и обработаны по современным методикам. Достоверность предложенных рекомендаций обоснована значительным объемом модельных исследований, определенным планированием эксперимента с последующим их анализом.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции ("Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении”.) Москва 2003г; на кафедре "Комплексное использования водных ресурсов" МГУП, 2004г., на Всероссийской выставке научно технического творчества молодежи НТТМ-2004 (Москва, ВВЦ, 7-10 июля 2004 г.), на научно технических конференциях в Московском государственном университете природообустройства в 2004-2005 г.г.

Результаты исследований сифонных водосбросов внедрены на объекте Аль Синн в Сирийской Арабской Республике.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, насчитывающего 74 наименований и приложений. Работа изложена на 151 страницах машинописного текста, иллюстрирована 84 рисунками, содержит 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, указаны практическая ценность и научная новизна работы, приведены структура и объем диссертации.

В первой главе диссертации изложен обзор существующих конструкций сифонных водосбросов. Дана оценка их основных параметров, рассмотрены основные элементы конструкций.

В работе приводится общая классификация сифонных водосбросов. Произведен анализ как зарубежных, так и отечественных запроектированных сифонных водосбросов. Данные обзора показывают, что преимущественно изучались конструкции высоконапорных водосбросов.

В диссертации дается обзор существующих методик расчетов параметров сифонных водосбросов и рекомендации о принятии основных размеров водосбросного тракта (радиусов закругления, отметки гребня). В работе рассмотрены работы Т.В. Ивановой, Н.А. Иларова, О.В. Вяземского, О.В. Катруха, В.Н. Нелидова, А.А. Ниберга, В.С. Мисенева, В.И. Туманяна, Г.В.Симакова и др.

Следует отметить, что в справочной литературе по гидротехническим сооружениям и гидравлическим расчетам сифонный водосброс рассматривается уже в заряженном режиме (то есть работающим как напорный водовод) и не уделено должного внимания переходным процессам, предшествующим зарядке.

Во второй главе дано теоретическое обоснование гидравлических параметров для периодов работы сооружения предшествующих зарядке трубчатого сифонного водосброса. В диссертации выделены характерные режимы работы сифона: режим водослива со свободным переливом воды; режим зарядки сифонного водосброса, который, в свою очередь подразделяется на две фазы (сжатие воздуха в надструйном пространстве без его выноса гидравлическим прыжком с расходом и с выносом воздуха гидравлическим прыжком, т.е..

На рис. 1 представлена расчетная схема рассматриваемого трубчатого сифонного водосброса.

Режим истечения со свободным переливом будет происходить до тех пор пока не закроются выходное сечение трубы сифона и верхнее отверстие воздухоподводящей трубки. Используя формулы Штрауса для и Зандена для расхода круглого отверстия в тонкой стенке, в нашей обработке расход для этого режима может быть определен по зависимости:

. (1)

где - напор воды над нижней кромкой входного сечения сифона;

d – диаметр трубы сифона.

Время работы в этом режиме определяется по зависимости:

, (2)

где W1 – сумма объемов воды в капюшоне Wкап, в струе Wстр и в ковше Wков на момент закрытия выходного сечения трубы сифона;

UВБ – скорость подъема уровня верхнего бьефа.

Для определения Wстр необходимо построить кривые спада, определить изменение поперечного сечения струи, после чего может быть посчитан ее объем. На рис. 2 приведены совмещённые графики изменения объёмов струи Wстр=f(t) и выноса объема воздуха Wвозд=f(t) в трубе сифона.

После закрытия выходного сечения трубы сифона и верхнего отверстия воздухоподводящей трубки увеличение объема струи вызывает сжатие воздуха в надструйном пространстве. Кроме того начинается перелив воды по периметру выходного оголовка ковша с напором Нков, который вызывает подъем уровня воды в нижней части струи и дополнительное сжатие воздуха на величину.

В диссертации получено уравнение для определения из условия отсутствия выноса воздуха потоком за счет его защемления струей, втекающей в затопленную часть трубы и создающей гидравлический прыжок.

, (3)

где – объем трубы сифонного водосброса;

– уклон дна ковша;

– плотность воздуха;

– атмосферное давление.

Давление повышается до тех пор, пока не сравняется с давлением, производимым на выходное сечение трубы напором на гребне ковша, то есть. В этот момент наступает III фаза работы сифона, когда увеличение объема струи производит выдавливание воздуха из надструйного пространства.

Для определения величины в этот период, в диссертации получено уравнение:

, (4)

где ;

;

,

где – расход воздуха выносимого гидравлическим прыжком.

Одновременно начинается заметный вынос воздуха из трубы сифона гидравлическим прыжком, который образуется в нижней части водосброса. Увеличивающаяся интенсивность выноса воздуха прыжком приводит к снижению до нуля, а в дальнейшем к образованию вакуума. Следствием этого является резкое повышение расхода воды с лавинообразным выносом воздуха, который заканчивается зарядкой сифонного водосброса. График зависимости =f(t) представлен на рис. 3.

В третьей главе диссертации изложены основные положения методики модельных исследований сифонного водосброса, дано описание экспериментальной установки, средств измерений, технологии проведения экспериментов, а также приведены результаты оценки точности проведенных измерений в соответствии с теорией ошибок.

При проведении исследований работы сооружения за базовую была принята модель сифонного водосброса диаметром 1,4 м с расчетным перепадов уровней верхнего и нижнего бьефов 5,7 м. Модель трубчатого сифона была выполнена в масштабе 1:13,55, который обеспечивал гидравлически подобные режимы во всем диапазоне основных расходов водосброса.

Сифонный водосброс представлял собой трубу с уклоном i=0,1. На входе было установлено водоприемное устройство в виде капюшона, входное сечение которого опущено в воду, с размерами: b=d – ширина, h=3d – высота, l=4d – длина от его входного сечения до входного сечения трубы сифона. Выходное устройство было выполнено в виде ковша с размерами: b=2d – ширина, h=d – высота, l=2d – длина. Проточный тракт сифона, входной раструб и концевое устройство были выполнены из ПХВ труб с внутренним диаметром 103 мм. Сифонный водосброс был снабжен устройством для срыва вакуума, выполненное из латунной трубки с наружным диаметром 15,5 мм и толщиной стенок 1,0 мм.

Экспериментальная установка была размещена в малом зеркальном лотке лаборатории гидросиловых установок им. профессора Д.Я. Соколова МГУП, который имел дно с нулевым уклоном, шириной 60 см и длиной 950 см, присоединенный к баку с размерами в плане 1,64x1,6 м. Конструкции малого зеркального лотка показана на рис.4.

Для быстрой и точной установки уровня воды в верхнем бьефе в приемном резервуаре имелся холостой водосброс, выполненный в виде прямоугольного в плане замкнутого водослива с тонкой стенкой 8, который соединялся с трубой диаметром D=220 мм, перемещавшийся при помощи штанги и червячной передачи по неподвижной трубе. Переливающийся через водослив избыток воды поступал в подземную камеру лаборатории. Червячная передача давала возможность установить требуемый уровень воды в верхнем бьефе с точностью до 0,1 мм.

Регулирование расходов грубо выполнялось задвижкой, установленной на питающем насосе, и точно с помощью холостого водосброса установленного в приемном резервуаре.

В конце лотка был установлен клапанный затвор для регулирования необходимых глубин нижнего бьефа. В подземной отводящей галерее был расположен прямоугольный водослив с острым ребром для измерения расходов, проходящих через экспериментальную установку. Высота порога водослива hп=380 мм и ширина b=605 мм.

Pages:     || 2 |






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