WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

МИЛЬЦЫН Дмитрий Алексеевич

СОВЕРШЕНСТОВАНИЕ ГОЛОВНОЙ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА С КОРОТКИМИ ОБХОДНЫМИ ГАЛЕРЕЯМИ

Специальность 05.23.07 Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук

САМАРА 2012

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта».

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Липатов Игорь Викторович

Официальные оппоненты: Соболь Станислав Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет», проректор по научной работе, заведующий кафедрой Станкевич Александр Валерьевич, кандидат технических наук, профессор, ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», профессор Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Санкт-петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета ДМ 212.213.02 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет».

Адрес: 443110, Самара, ул. Молодогвардейская, 194, ауд. 0407.

Факс: (846) 242-37-00. E-mail: sgasu@sgasu.smr.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан 25 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.213.канд. техн. наук А.А. Михасек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Внутренний водный транспорт (ВВТ) является важной часть экономики страны. Несмотря на то, что ВВТ уступает лидирующие позиции по объемам перевозок, он обладает рядом несомненных преимуществ, среди которых высокая экологичность, низкая себестоимость перевозок, доступность в отдаленных районах Сибири и Дальнего востока. Одним из наиболее слабых звеньев в системе ВВТ являются судоходные гидротехнические сооружения (СГТС). Начиная с конца 90-х годов прошлого века, интенсивное развитие экономики нашей страны привело к значительному повышению объемов грузоперевозок, в том числе и в системе ВВТ. Как следствие, пропускная способность большинства судоходных каналов и шлюзов на магистральных реках стала приближаться к пороговым значениям.

Так, в восьмидесятых годах средний период прохождения судна через ВолгоДонской судоходный канал составляло 22,2 часа, в 1996 году – 15,9 часов, а в настоящее время может превышать 25 часов. На прохождение судном ВолгоБалтийского водного пути от Череповца до Санкт-Петербурга в 90-х годах требовалось не более трех суток, в настоящее время эта величина возросла до пяти суток, что ведет к значительным потерям для грузоперевозчиков. Порядка 75% всех судоходных сооружений нашей страны были построены более полувека назад, и в настоящее время технический и моральный износ не позволяет им в полной мере справлять с возрастающими грузопотоками на ВВТ. В связи с этим вопросы повышения пропускной способности и надежности работы судоходных гидротехнических сооружений приобретают в последнее время вс большую актуальность. При этом высокая стоимость и длительные сроки строительства новых СГТС ставят основным вопрос о модернизации существующих сооружений.

Цель и основные задачи исследований. Целью диссертационной работы является совершенствование системы опорожнения судоходного шлюза. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: проанализировать современное состояние судоходных гидротехнических сооружений; выполнить развернутые лабораторные исследования системы опорожнения камеры на модели типового шлюза;

разработать математическую модель процесса опорожнения камеры судоходного шлюза и верифицировать е на соответствие экспериментальным данным; используя разработанную математическую модель процесса опорожнения камеры шлюза, провести углубленный анализ гидродинамики потока; разработать рекомендации по улучшению структуры потока с целью увеличения пропускной способности судоходных сооружений и повышения безопасности их эксплуатации.

Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются судоходные гидротехнические сооружения внутренних водных путей Российской Федерации, в частности, системы питания судоходных шлюзов.

Предметом исследования является структура потока воды, возникающего при опорожнении камеры судоходного шлюза через короткие обходные галереи.

Методология исследований. Методологическую и информационную основу диссертационной работы составляют новейшие отечественные и зарубежные теоретические и практические достижения в области исследования структуры потока жидкости, численного моделирования пространственного движения жидкостей, а также теория планирования эксперимента и методы математической статистики.

Научная новизна исследования состоит в разработке нового подхода к исследованию структуры потока воды в опорожняющих галереях системы питания и создании математической модели системы опорожнения судоходного шлюза.

Теоретическая и практическая ценность работы. Теоретическая значимость исследования состоит в развитии численных методов исследования потоков и получении характеристик гидродинамических процессов в системе опорожнения судоходного шлюза на качественно новом уровне.

Практическая ценность работы заключается в разработанных рекомендациях по совершенствованию системы опорожнения судоходного шлюза. Изменение конфигурации водопроводных галерей позволит при минимальных финансовых затратах значительно снизить гидравлические потери в системе опорожнения шлюза, уменьшить время опорожнения камеры и увеличить пропускную способность сооружения. Использование предложенных автором новых систем гашения энергии даст возможность снизить интенсивность волновых процессов, возникающих в нижнем бьефе при опорожнении камеры шлюза, улучшить условия отстоя судов, ожидающих шлюзование в нижнем подходном канале, повысить безопасность работы и увеличить пропускную способность судоходного сооружения.

Личный вклад соискателя заключается в проведенном анализе современного состояния СГТС, проведении лабораторных исследований системы опорожнения камеры судоходного шлюза, разработке и верификации математической модели поведения потока воды, покидающего камеру шлюза через короткие обходные галереи, анализе структуры данного потока,а также разработке и расчете рекомендаций по улучшению гидравлики потока воды в системе опорожнения шлюза.

На защиту выносятся:

1. Результаты лабораторных исследований процесса опорожнения камеры судоходного шлюза.

2. Математическая модель системы опорожнения камеры судоходного шлюза.

3. Результаты теоретических исследований гидродинамических процессов в потоке воды, возникающем при опорожнении камеры судоходного шлюза через короткие обходные галереи.

4. Предложения по модернизации конструкций системы питания судоходного шлюза с короткими обходными галереями.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научнотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2009-2011 гг.); научно-практической конференции Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций (2011 г.);

Нижегородских сессиях молодых ученых (2008-2012 гг.); международных научно-промышленных форумах «Великие реки» (2008-2011 гг.) и международной научно-практической конференции STAR-2009:

«Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» (2009 г.).

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении кафедрой водных путей и гидротехнических сооружений ФБОУ ВПО «ВГАВТ» научной работы № 35/09/11«Исследование возможности повышения загрузки судов и составов при выходе вниз из камеры Чайковского шлюза».

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в тринадцати печатных работах, в том числе две в рецензируемых научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 99 наименований и приложения. Работа содержит 131 страницу машинописного текста, 51 рисунок и 32 таблицы. Общий объем работы – 134 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, цель и задачи исследований, дана краткая характеристика направлений работы.

В первой главе приводится описание современного состояния судоходных гидротехнических сооружений России, а также основных вопросов, связанных с их эксплуатацией.

Одним из наиболее слабых звеньев инфраструктуры внутреннего водного транспорта являются судоходные шлюзы. Это обусловлено как длительным сроком эксплуатации, так и значительным исчерпанием ресурсов СГТС. Таким образом, сложилась ситуация, при которой судопропускная способность шлюзов становится серьезным препятствием на пути развития транспортной инфраструктуры и исследования повышения пропускной способности и безопасной эксплуатации судоходных шлюзов становятся с каждым годом вс более востребованными и актуальными.

В разное время значительное число ученых занималось вопросами, связанными с увеличением пропускной способности и повышением надежности работы СГТС. Среди них отдельно стоит выделить исследования А.М. Гапеева, С.М. Пьяных, Д.А. Зернова, В.В. Баланина, В.В. Клюева, М.А.

Колосова, А.Н. Клементьева, А.Г. Малышкина, И.В. Липатова и других.

В работах, связанных с исследованиями систем питания сооружений и ускорением судопропуска, рядом авторов большое внимание уделялось процессу наполнения камеры шлюза, в то время как сходный процесс опорожнения камеры затрагивался достаточно редко и в настоящее время изучен недостаточно.

На типовых судоходных шлюзах Волго-Балтийского канала с одинаковыми размера сливной призмы и конструкциями системы питания, время опорожнения камеры изменяется от 8 до 13 минут, что говорит о крайней неоднородности процесса опорожнения и влиянии на него малоизученных факторов. Поиск этих факторов и исследование структуры потока в системе опорожнения судоходного шлюза могут открыть новые резервы пропускной способности СГТС и повысить их надежность.

Исходя из этого, были сформулированы цель, основные направления и задачи исследования.

Вторая глава посвящена проведению лабораторных исследований процесса опорожнения камеры типового для Единой глубоководной системы России (ЕГС РФ) судоходного шлюза, анализу и обработке результатов.

Экспериментально исследовалась функциональная взаимосвязь времени опорожнения камеры шлюза (t) от глубины воды в камере шлюза (Hshl) и в нижнем подходном канале (Hk), а также величины открытия затворов водопроводных галерей (a).

Лабораторные исследования реализованы методом активного эксперимента, что минимизирует необходимое число опытов. В качестве плана эксперимента применялся ортогональный полнофакторный план с аппроксимационной математической моделью в виде полинома второй степени.

На основании предварительных исследований было определено необходимое число параллельных опытов для каждого эксперимента.

Для выявления влияния формы нижнего подходного канала на время опорожнения камеры были проведены три серии экспериментов с различной конфигурацией нижнего бьефа: короткий прямоугольный канал, длинный прямоугольный канал и длинный канал с одним криволинейным палом.

В результате для двух последних форм были получены идентичные результаты, что указывает на значительное влияние длины нижнего подходного канала на величину времени опорожнения камеры шлюза.

Для обработки экспериментальных данных были выполнены факторный и регрессионный анализы. Регрессионные зависимости для короткого и длинного форм нижнего подходного канала соответственно имеют вид (1) и (2).

HSHL 2 t 145,46 5,83 HSHL 0,16 HSHL 13,46 HK 0,62 HK 8,41 3,17 (1) a aHSHL 2 t 107,23 2,71 HSHL 0,11 HSHL 10,16 HK 0,40 HK 9,15 2,(2) a aВ качестве критерия адекватности регрессионной модели принят критерий Фишера, достоверности эмпирических коэффициентов – t-критерий Стьюдента. Полученные зависимости показали высокую достоверность, как по принятым критериям, так и в сравнении с полученными экспериментальными данными.

Результаты факторного анализа экспериментальных данных представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты факторного анализа процесса опорожнения камеры судоходного шлюза Базисные Размер нижнего Варьируемые величины % величины подходного дисперсии НSHL НК a t Хi канала короткий 46,31 -0,325 -0,009 0,906 -0,9Хдлинный 43,64 -0,308 0,090 0,878 -0,9короткий 25,0 0,738 0,618 0,271 0,Хдлинный 25,0 0,779 0,589 0,213 0,короткий 25,0 -0,584 0,786 -0,202 0,Хдлинный 25,0 -0,533 0,802 -0,269 0,короткий 3,69 0,092 0,003 -0,256 -0,2Хдлинный 6,36 0,117 -0,034 -0,335 -0,3По результатам анализа наиболее значимым фактором (Х1), обеспечивающим порядка 45% общего влияния на продолжительность опорожнения камеры, является расход воды, проходящий через галереи. Напор воды в камере (Х3) и размеры сливной призмы (Х2) имеют одинаковое по величине влияние 25%. Наименьшее из рассчитанных величин влияние на процесс опорожнения судоходного шлюза оказывает фактор переопорожнения камеры (Х4), при котором под действием инерционных сил уровень воды в камере опускается ниже уровня воды нижнего бьефа. Проведенный анализ показал, что с ростом длины нижнего подходного канала, влияние этого фактора увеличивается.

По результатам лабораторных исследований были получены гидравлические характеристики процесса опорожнения модели судоходного шлюза, в частности, графики падения уровня воды в нескольких сечениях камеры, необходимые в дальнейшем для верификации разработанной численной модели процесса опорожнения камеры судоходного шлюза.

В третьей главе приводится разработка математической модели потока воды, возникающего при опорожнении камеры судоходного шлюза.

Основой математического моделирования опорожнения камеры шлюза через короткие обходные галереи является решение системы гидродинамических уравнений движения реальной жидкости в форме Навье– Стокса (3), дополненной уравнением неразрывности (4).

dVx 2Vx 2Vx 2Vx Fx 1 p ;

dt x x2 y2 zdVy 2Vy 2Vy 2Vy Fy 1 p ;

(3) dt y x2 y2 zdVz 2Vz 2Vz 2Vz Fz 1 p ;

dt z x2 y2 zVx Vy Vz 1 dp, (4) x y z dt где t – время; Vx, Vy, Vz – компоненты абсолютной скорости движения жидкости; Fx, Fy, Fz – компоненты массовых сил; p – пьезометрическое давление; плотность; – эффективная вязкость.

Опорожнение камеры вызывает нестационарное смещение свободной поверхности воды как в камере шлюза, так и в нижнем подходном канале, следовательно, в математической модели необходим учет наличия двух сред (воды и воздуха). Для решения этого вопроса система уравнений (3) была дополнена выражением для пассивного маркера VOF-скаляра, позволяющего осуществлять объемное отслеживание распределения сред воды и воздуха по исследуемой расчетной области.

Дискретизация по времени осуществлялась нелинейным методом, а аппроксимация расчетной области – методом контрольного объма.

В качестве математической модели турбулентности применялась высокорейнольдсовая k- модель, показавшая наибольшую сходимость расчетных данных с экспериментальными.

Расчетная область численной модели потока представлена на рисунке 1.

Граничные условия для численной модели заданы следующим образом:

- для XYZ Є AA’B’B – граничная область, через которую вода покидает модель:

dV dVOF dk d 0; 0;P 0; (5) dn dn dn dn - для XYZ Є AFGNL – плоскость симметрии модели:

dVOF dk d V 0; (6) y dn dn dn - для XYZ Є FGG’F’и GNN’G’ – граничная область, через которую происходит свободная циркуляция воздуха:

dk d VOF 0; 0; 0; P P (7) атм dn dn - для XYZ Є GG’E’D’DE и внешней поверхности модели, за исключением уже описанных участков – граничная область стенки:

dVOF V V V 0;k 0; 0; 0;

(8) x y z dn Рисунок 1 – Расчетная область математической модели В качестве начального состояния принят случай, когда камера наполнена до отметки уровня воды верхнего бьефа, а нижний подходной канал до уровня подпорной стенки. Затворы галерей закрыты. В момент времени t=0 затвор моментально убирается и поток начинает поступать из камеры в нижний бьеф через обходные галереи. Опорожнение происходит до момента, когда отметки уровня воды камеры и нижнего подходного канала не сравняются. Начальные условия для задачи сформулированы следующим образом:

- XYZ Є LMM’L’ – вода в камере шлюза:

0 Z H ;L L X L L L kam kan kan kam (9) V V V 0;k 0;P P z;VOF x y z атм вод - XYZ Є BCC’B’ – вода в нижнем подходном канале:

0 Z H ;0 X L L kan kan (10) V V V 0;k 0;P P z;VOF x y z атм вод - XYZ Є MNN’M’ – воздух в камере шлюза:

H Z H H ;L L X L L L kam kan kam kan kan kam (11) V V V 0;k 0; P P ;VOF x y z атм - XYZ Є DGG’D’ – воздух в нижнем подходном канале:

H Z H H ;0 X L L kan kan b kan (12) V V V 0;k 0; P P ;VOF x y z атм Графики колебания уровня воды в камере шлюза и в нижнем подходном канале, полученные по результатам расчета численной модели, представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Графики зависимости уровня воды от времени в середине камеры (р4) и в нижнем подходном канале (р8) Рисунок 3 – Совмещенные графики колебания уровня воды в середине камеры Верификация математической модели осуществлена полуобратным методом с использованием данных лабораторного эксперимента. Совмещение графиков колебания уровня воды, полученных различными методами (рис. 3), показывает их однородность и указывает на то, что разработанная математическая модель качественно описывает процесс опорожнения судоходного шлюза.

Четвертая глава посвящена исследованиям и анализу гидродинамики потока в процессах опорожнения камер судоходных шлюзов и разработке на этой базе рекомендаций по совершенствованию конструкций СГТС в целях повышения их пропускной способности и безопасности работы.

При исследованиях реальных систем питания судоходных шлюзов были введены некоторые допущения. Так, для снижения расчетных трудозатрат процесс опорожнения камеры на начальном этапе рассматривался, как совокупность группы квазистационарных состояний системы без свободной поверхности воды с заданными уровнями воды в камере шлюза, в нижнем подходном канале, а также степенью открытия затворов водопроводных галерей.

Использование численного моделирования позволило получить не осредненные величины базовых характеристик потока (давление, скорость и др.), а конкретные значения в точках. Это дало возможность рассматривать структуру потока на качественно более высоком уровне, провести углубленный анализ гидродинамики потока и выявить проблемные с точки зрения гидравлики участки.

Расчетное поле давления воды в камере шлюза представляет собой равномерное распределение по глубине гидростатического давления воды. В водопроводных галереях высокие градиенты давления сосредоточены на внешней грани, где проходит основной поток при опорожнении. Также повышение давления наблюдается в центре выхода опорожняющих галерей в нижний бьеф, где сталкиваются два противоположно направленных потока.

Небольшая область вакуума на модели совпадает с областью водоворотных зон на входе в галереи. В нижнем бьефе повышение градиентов давления наблюдается в центральной зоне выхода потока через балки гашения.

Поскольку в моделировании не использовалось разделение сред воды и воздуха и не отслеживалась динамика поведения свободной поверхности, рост давления в нижнем подходном канале над балками гашения является индикатором подъема уровня воды при опорожнении камеры шлюза.

Расчет показал, что основные скорости потока воды сосредоточены в обходных галереях, а также в районе балок гашения. Повышение скорости наблюдается при разделении потока гасящим бычком нижнего бьефа в галереях, а также в их средней части в районе расположения затвора.

Использование математического моделирования позволило выделить ряд проблемных участков, оказывающих отрицательное воздействие на гидравлику процесса опорожнения камеры судоходного шлюза.

При переходе потока из камеры шлюза в короткие опорожняющие галереи, во входных частях последних образуются вихревые зоны (рис. 4).

Данные водоворотные зоны сжимают поток, поступающий из камеры в систему опорожнения, уменьшая живое сечение, и, таким образом, снижают общий расход через водопроводные галереи. Также данные зоны оказывают дополнительное вибрационное воздействие на сороудерживающие решетки и бетонные конструкции галерей, что может привести к их ускоренному износу вследствие абразии и кавитации.

Рисунок 4 – Сечение входной части водопроводных галерей Традиционным подходом для уменьшения водоворотных зон на повороте потока является создание плавного геометрического перехода на входе потока из камеры шлюза в водопроводные галереи системы опорожнения. Подобный переход может быть выполнен либо скруглением кромок колена по радиусу либо срезом по хорде острых кромок поворота.

Создание плавных криволинейных железобетонных элементов на строящихся сооружениях и изменение прямоугольного профиля галерей действующих судопропускных сооружений на криволинейное связано с большими трудностями с точки зрения технологии проведения работ. В связи с этим, наиболее приемлемой формой сопряжения опорожняющих галерей с камерой шлюза является срез кромок входной части по хорде.

Также следует отметить, что изгиб потока при переходе из камеры шлюза в систему опорожнения и изгиб потока в трубе с поворотом на девяносто градусов имеют ряд значительных отличий. В рассматриваемой системе судоходного шлюза поток подходит к входной части системы опорожнения, имея не ярко выраженное прямолинейное вертикальное направление, а сложную пространственную структуру. К тому же размеры самой камеры значительно превосходят размеры водопроводных галерей. Следовательно, воспользоваться существующей методикой определения оптимального размера и места положения среза внутренней кромки поворота не представлялось возможным.

Для поиска оптимального решения автором были рассмотрены несколько вариантов расположения хорды среза и определены наиболее приемлемые с точки зрения минимизации гидравлических потерь величины угла среза (рис.

5, 6).

Рисунок 5 – Схема среза внутренней грани поворота по хорде 1,1,1,1,1,1,1,0 10 20 30 40 Угол среза Рисунок 6 – График зависимости гидравлических потерь в системе опорожнения шлюза от угла среза грани входной части галерей Гидравлические потери, м По результатам расчетов видно, что наиболее значительное снижение гидравлических потерь наблюдается для углов в интервале от 20 до градусов. Устройство среза во входной части водопроводных галерей снижает гидравлические потери в системе опорожнения, как следствие, увеличивает расход воды через систему и ускоряет процесс опорожнения в целом на 7-10%.

Помимо исследований структуры потока в системе питания шлюза было рассмотрено распределение потока вода при выходе в нижний бьеф через выпускные отверстия. При моделировании были рассчитаны две типовые для ЕГС РФ системы опорожнения шлюзов: Городецкого района гидротехнических сооружений, в которой выпуск воды в нижний бьеф осуществлялся через систему из тридцати одного водовыпуска шириной 0,3 метра, расположенных между балками гашения шириной 0,7 метра, а также Чайковского района гидротехнических сооружений, где выход потока воды из галерей в нижний подходной канал осуществляется по всей ширине нижнего бьефа без гашения энергии потока балками.

Результаты моделирования описанных систем опорожнения представлены на рисунках 7 и 8.

6000,5000,4000,3000,2000,1000,0,0 5 10 15 20 25 Номера водовыпусков Галерея А без балок Галерея Б без балок Галерея А балки Галерея Б балки Рисунок 7 – Распределение расхода воды при выходе потока из галерей в нижний подходной канал Расход воды, л/с 30000,25000,20000,15000,10000,5000,0,0 5 10 15 20 25 -5000,Номера водовыпусков Галерея А без балок Галерея Б без балок Галерея А балки Галерея Б балки Рисунок 8 – Повышение давления в средней части нижнего подходного канала при выходе потока из галерей в нижний бьеф Распределение расхода по всей ширине нижнего бьефа для системы опорожнения без балок гашения крайне неравномерно. Основной поток (порядка 80% от общего расхода) сосредоточен в центральной зоне сечения и приходится не более, чем на треть ширины нижнего подходного канала. Расход воды через крайние участки выхода практически равен нулю. При этом амплитуда колебания расхода по длине галерей достигает местами 4 м3/с против 2 м3/с у системы с балками гашения.

Повышение градиентов давления в центральной части сечения галерей над крайними участками, характеризующее поперечный уклон в нижнем подходном канале, показывает значительное повышение уровня воды в середине сечения. Мгновенный поперечный уклон для данной системы может достигать величин 0,15-0,17 против не более 0,10 для системы с балками гашения.

Максимальная величина мгновенного повышения уровня воды в нижнем бьефе напрямую определяет продольный уклон воды в нижнем подходном канале и волновые явления при опорожнении камеры шлюза. Для системы с балками гашения эта величина не превышает 1,5 метров, тогда как для системы без балок она достигает 2,5 метров.

Давление, Па Сравнение результатов расчета для системы опорожнения судоходного шлюза с балками гашения и без них показывает значительные преимущества первой системы. Наличие балок гашения способствует более плавному распределению расхода потока при выходе в нижний бьеф, уменьшению поперечного и продольного уклонов воды и, как следствие, улучшению условий отстоя судов в нижнем подходном канале.

Несмотря на описанные преимущества системы выпуска воды в нижний бьеф с балками гашения, типовая схема расположения балок не обеспечивает в полной мере с возложенными на не функциями. Поскольку система гашения имеет балки равного размера, расположенные через равные расстояния, она способна только частично гасить энергию потока, практически не оказывая влияния на распределение расхода воды по ширине нижнего подходного канала.

В связи с этим были предложены две новые схемы расположения балок гашения и выпускных отверстий системы опорожнения судоходного шлюза, представленные на рисунке 9.

Аппарат математического моделирования позволяет, внося небольшие изменения в геометрические характеристики модели, рассчитать необходимые параметры системы питания для предложенных схем расположения выпусков воды. При этом в отличие от традиционных лабораторных исследований подобного класса задач численное моделирование позволяет избежать влияния на расчеты масштабного фактора и получить достоверные результаты исследуемых параметров.

Мгновенный подъем уровня воды над центральной частью выпусков для рассматриваемых схем представлен на рисунке 10.

Рисунок 9 – Схемы расположения балок гашения и водовыпусков при выходе потока в нижний бьеф: а) типовая схема Городецких шлюзов; б) предложенная схема с дифференцированной шириной выпусков; в) предложенная схема с дифференцированным расположением выпусков.

1,1,1,1,Типовая схема А 0,Схема Б 0,Схема В 0,0,0 5 10 15 20 25 Ширина нижнего подходного канала, м Рисунок 10 – Подъем уровня воды над выпусками галереи в нижний бьеф Подъем уровня воды, м Анализ расчетов показывает, что предложенные схемы расположения водовыпусков имеют ряд преимуществ над типовой схемой. Применительно к данной исследуемой системе питания Городецких шлюзов наилучшие условия отстоя судов будут наблюдаться при схеме балок гашения с дифференцированной шириной водовыпусков. Снижение максимальной величины подъема уровня воды на 40-50% и расширение зоны подъема в полтора раза приводит к уменьшению продольного и поперечного уклонов поверхности воды в нижнем подходном канале. Это позволяет судам, ожидающим шлюзование в нижнем бьефе, отстаиваться в непосредственной близости от нижней головы шлюза и сократить время на маневрирование при заходе в камеру на 3-5 минут.

При шлюзовании из верхнего бьефа в нижний на сооружениях Чайковского района гидротехнических сооружений крупнотоннажный флот в настоящее время вынужден оставаться в камере порядка двадцати минут в связи с негативными волновыми явлениями в нижнем подходном канале и падением уровня воды на пороге шлюза. Снижение амплитуды волны в подходном канале позволит сократить время задержки судов вдвое.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО РАБОТЕ 1. В рамках диссертационной работы на основе дифференциальных уравнений Навье–Стокса разработана нестационарная турбулентная модель движения реального потока воды, возникающего в системе опорожнения судоходного шлюза. Полуобратным методом выполнена верификация разработанной численной модели потока, показавшая е высокую точность и достоверность.

2. Разработанная и верифицированная математическая модель адаптирована для расчетов систем питания реальных судоходных гидротехнических сооружений. При этом проработаны методические аспекты создания математической модели потока жидкости, а также вопросы е практической апробации.

3. Применение современных методов исследования работы СГТС позволило провести анализ гидродинамических явлений в системе опорожнения судоходного шлюза на качественно новом уровне.

4. Численное моделирование позволило выявить застойные вихревые зоны, значительно сжимающие живое сечение потока и замедляющие процесс опорожнения.

5. Разработаны рекомендации по снижению негативного влияния описанных зон на структуру потока воды, покидающего камеру шлюза, в частности, рассчитано, что прямолинейный срез по хорде входной части обходных галерей под углом 20-25° позволяет значительно снизить гидравлические потери в системе питания и сократить время опорожнения судоходного шлюза на 7-10%.

6. Выявлены недостатки существующих систем гашения энергии потока на пороге шлюза, связанные со значительной амплитудой волновых явлений, которые, в свою очередь, значительно ухудшают условия маневрирования и отстоя судов на подходах к шлюзу.

7. Для типовой системы питания судоходного шлюза с короткими обходными галереями разработаны два варианта новых схем расположения гасителей энергии потока воды. Предложенные схемы в ряде случаев способны на 40-50% снизить амплитуды волновых явлений в нижнем подходном канале при опорожнении камеры шлюза, что ведет к значительному улучшению как условий выхода судна из камеры шлюза, так и условий отстоя судов, ожидающих шлюзования, в подходном канале.

СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях 1. Мильцын, Д.А. Совершенствование системы опорожнения шлюза / Д.А.

Мильцын // Речной транспорт (XXI век). 2012. – № 1 (55). – С. 79–80.

2. Мильцын, Д.А. Динамика потока воды, возникающего при опорожнении камеры судоходного шлюза / Д.А. Мильцын // Инженерно-строительный журнал. 2012. – № 2 (28). – С. 61–67.

Публикации в других научных изданиях 3. Мильцын, Д.А. Моделирование гидродинамики опорожнения камеры шлюза / Д.А. Мильцын // Материалы докладов. 13-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. – Н.Новгород, 2008. – С. 117–118.

4. Мильцын, Д.А. Перспективы исследования опорожнения камеры шлюза / Д.А. Мильцын // 10 международный научно-промышленный форум «Великие реки 2008». Труды конгресса. – Н.Новгород : ННГАСУ, 2009. – С.

279–280.

5. Мильцын, Д.А. Планирование лабораторных исследований опорожнения камеры шлюза / Д.А. Мильцын // Материалы докладов. 14-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. – Н.Новгород, 2009. – С. 105–106.

6. Мильцын, Д.А. Лабораторные исследования процесса опорожнения камеры шлюза / Д.А. Мильцын, И.В. Липатов // 11 международный научнопромышленный форум «Великие реки 2009». Труды конгресса. Том 2. – Н.Новгород : ННГАСУ, 2010. – С. 34–36.

7. Мильцын, Д.А. Математическое моделирование гидродинамики процесса опорожнения камеры шлюза / Д.А. Мильцын // IV Международная научнопрактическая конференция STAR-2009: «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности». Материалы докладов. – Н.Новгород, 2009. – С. 38–39.

8. Мильцын, Д.А. Математическое моделирование лабораторных исследований системы опорожнения шлюза / Д.А. Мильцын // Материалы докладов. 15-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. – Н.Новгород, 2010. – С. 110–111.

9. Мильцын, Д.А. Лабораторные исследования опорожнения судоходного шлюза / Д.А. Мильцын // Материалы I межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». – С.-Петербург :

СПГУВК, 2010. – С. 27–32.

10. Мильцын, Д.А. Анализ гидродинамики процесса опорожнения камеры судоходного шлюза / Д.А. Мильцын, И.В. Липатов // 12 международный научно-промышленный форум «Великие реки 2010». Труды конгресса. Том 2. – Н.Новгород : ННГАСУ, 2011. – С. 61–63.

11. Мильцын, Д.А. Численное моделирование процесса опорожнения камеры судоходного шлюз / Д.А. Мильцын // Материалы докладов. 16-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. – Н.Новгород, 2011. – С. 81–83.

12. Мильцын, Д.А. Численное моделирование лабораторных исследований структуры потока в коротких опорожняющих галереях судоходного шлюза / Д.А. Мильцын // Материалы II межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». – С.-Петербург :

СПГУВК, 2011. – С. 16–21.

13. Мильцын, Д.А. Обоснование модели турбулентности водного потока при численном моделировании процесса опорожнения камеры судоходного шлюза / Д.А. Мильцын // 13 международный научно-промышленный форум «Великие реки 2011». Труды конгресса. Том 1. – Н.Новгород : ННГАСУ, 2012. – С. 340–343.

Отпечатано в ООО «Печатная мастерская РАДОНЕЖ» г. Н.Новгород, ул. Минина, д.16а, офис 23.

Тел.: (831) 418-53-Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Объем 1 п. л.







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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.