МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

 

УДК 627.83

ОСОБЕННОСТИ  ГИДРАВЛИЧЕСКОГО  РЕЖИМА ЗА  КОНЦЕВЫМ УЧАСТКОМ  НАПОРНОГО  ВОДОПРОПУСКНОГО СООРУЖЕНИЯ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ  ПОТОКА

 

Б.М. Бахтин – д.т.н., доцент;  М.Ж. Расуанандрасана – аспирант

ФГОУП ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Решение проблемы гашения энергии потока при сопряжении его с нижним бьефом и уменьшения размывов за концевыми участками напорных и безнапорных водопропускных сооружений является актуальным на протяжении многих лет. Каждый из режимов движения потока – напорный и безнапорный имеет свои достоинства и недостатки. Сооружения безнапорные обладают более высоким резервом пропускной способности, чем напорные, а, значит, являются более безопасными в катастрофических ситуациях. С другой стороны, напорные сооружения при равной площади поперечного сечения водовода обладают большей пропускной способностью.

Режим движения потока в безнапорном водопропускном сооружении обладает большей определённостью, чем в сооружении напорном.  Правильно рассчитанное на пропуск максимального расхода, такое сооружение при всех нерасчётных расходах будет также работать как безнапорное, что исключает возможность появления переходных режимов, при которых возрастают динамические нагрузки на конструкции водовода и усиливается вероятность возникновения и развития кавитационных явлений на его элементах. Однако обеспечение такого режима требует часто повышения отметок выходных участков водосбросов во избежание их затопления, что усложняет условия сопряжения с нижним бьефом. Возникновение переходных режимов возможно и из-за самоаэрации, приводящей к замыканию потока на потолок водовода и появлению «пробкового» режима движения, сопровождаемого большими динамическими нагрузками на стенки водовода и нестабильностью процессов в нижнем бьефе. Для исключения этого приходится увеличивать площадь сечения сооружения и устраивать достаточно сложную систему его вентиляции.

При напорном режиме в потоке и на стенках водовода существует определённое избыточное давление, что уменьшает опасность кавитационных ситуаций и является значительным преимуществом  таких сооружений. Однако обеспечение стабильного напорного режима движения, особенно при нерасчётных расходах, требует устройства входного оголовка, достаточно заглублённого под уровень верхнего бьефа во избежание прорыва воздуха при образовании вихревых воронок. Желательно также обеспечить заглубление выходного сечения под уровень нижнего бьефа, либо исключить возможность срыва напорного режима движения другим способом. Существует достаточно много конструкций водоводов, позволяющих удовлетворить этим требованиям. Одной из них является предложенная нами  /Бахтин Б.М., Расуанандрасана М.Ж.  Концевой участок напорного водопропускного сооружения, Патент на изобретение № 2211279, Опубл. Б.И. № 24 22.08.2003/ конструкция водопропускного сооружения, гарантирующая стабильность напорного режима при всех возможных  расходах и уровнях воды в нижнем бьефе. Такое сооружение имеет транзитную часть в виде горизонтального или слабонаклонного туннеля, или трубы и концевой участок, выполняющий функцию камеры гашения. Последний включает вертикальный  водовод  цилиндрической  формы, который примыкает  к  транзитной  части  сооружения и имеет одинаковое с ней сечение,  и  горизонтальный  диск, расположенный  над  выходным  отверстием  вертикального  водовода и опирающийся на бычки обтекаемой формы, размещённые за  пределами выходного сечения  (рис. 1). Немаловажным преимуществом  этой схемы является наличие избыточного пьезометрического давления практически на всех участках водопропускного тракта, что снижает опасность возникновения и развития кавитационных явлений. Другая позитивная особенность указанного решения – кольцевой выпуск потока, и, как следствие, значительное уменьшение удельных расходов на выходе в нижний бьеф, которое должно сопровождаться уменьшением размывов за сооружением.

 

 

Рис. 1. Схема гидроузла с напорным водосбросом с вертикальным выходом потока.

1 – плотина, 2 строительный туннель, 3,4 варианты эксплуатационного водосброса,

5 транзитная часть, 6 концевой участок, 7 вертикальный водовод, 8 бычок,

9 диск-отражатель

 

При проектировании такого водопропускного сооружения возникает ряд вопросов, связанных с недостаточной изученностью работы концевого участка подобной конструкции. Прежде всего, это определение пропускной способности, поскольку нет ясности в оценках значений гидравлического сопротивления концевого участка при различных соотношениях его геометрических размеров и глубинах нижнего бьефа. Другим, не менее сложным, является вопрос гидравлического режима в нижнем бьефе при выходе потока из-под диска – отражателя. И, наконец, представляет интерес вопрос оценки пьезометрического давления потока на диск – отражатель и дно нижнего бьефа. Первое необходимо для выполнения расчёта прочности конструкции концевого участка, второе – для прогноза размывов за ним.

Учитывая недостаточную ясность физической картины явлений при взаимодействии потока с концевым участком описанного типа и при сопряжении потока с нижним бьефом, для изучения  указанных выше вопросов был использован метод физического моделирования.  В качестве прототипа был принят водосброс с диаметром туннеля 5 м, работающий при напоре около 100 м и пропускающий расход 300 м3/c. Опыты проводились на модели фрагмента водосброса, воспроизводящей концевой участок в масштабе ai = 50  при соотношениях диаметров диска - отражателя D и выходного сечения вертикального водовода (d = 10 см), равных  D/d = 1; 2; 3. Работу концевого участка изучали для условий разных высот  t  расположения диска над уровнем выходного сечения и глубин нижнего бьефа  h при соотношениях  t/d = 0,5; 0,75; 1,0; 1,25  и  h/d = 0,45; 0,68; 0,99.

Для определения коэффициента сопротивления выходного участка на вертикальном водоводе, на расстоянии 3 см от его выходного сечения, были установлены 8 пьезометров, расположенных радиально в горизонтальной плоскости. Это позволило найти осреднённую величину пьезометрического давления   в потоке перед его выходом в камеру гашения (пространство под диском – отражателем), исключая возможность ошибки, вызванной влиянием колена, сопрягающего транзитную часть с вертикальным водоводом.

В опытах регистрировали распределение пьезометрического давления на дно нижнего бьефа и диск – отражатель. Для этого в полу модели были установлены 50 пьезометров, размещённых на 5 лучах, расходящихся радиально от оси выходного сечения. Распределение давления на диск – отражатель изучали с помощью пьезометров, также расположенных на 5 радиальных лучах. В зависимости от диаметра диска на длине луча были размещены 3-5 пьезометров. Расположение точек измерения пьезометрического давления на модели показано на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Схема размещения пьезометров на модели (размеры в см)

Изучение кинематической структуры потока за концевым участком проводили с использованием микровертушки  с диаметром крыльчатки 1 см и электронным блоком регистрации скорости, при линейном характере тарировочного графика  от 3 см/c.

Пересчёт полученных на модели результатов в натуру осуществлялся в соответствии с критерием Фруда при соблюдении условия автомодельности по Рейнольдсу. В опытах   значение числа Рейнольдса для потока на выходе из-под диска – отражателя превышало 16 × 103,  в кольцевом сечении за пределами гидравлического прыжка оно было не менее 5 × 103. При определении коэффициентов сопротивления концевого участка исходили из величины удельной энергии потока  z0, вычисленной как  сумма осреднённой   величины пьезометрического давления  и скоростного напора, рассчитанного по средней скорости v0  в выходном сечении. Потерями напора  на участке длиной 3 см. между пьезометрическим створом и выходным сечением пренебрегали за их малостью.

Полагая, что режим движения потока в пределах камеры гашения является напорным, и энергия потока, выходящего из вертикального водовода расходуется на преодоление сопротивлений в самой камере и на выходе из неё, вычисляли обобщённое значение коэффициента сопротивления концевого участка по зависимости

 

(1)

Результаты этих расчётов для указанных выше значений D/d; t/d и h/d при значении расхода на модели, равного 0,017 м3/c представлены на рис. 3. Из графиков видно, что изменение относительной высоты t/d расположения диска над выходным сечением в диапазоне 0,75-1,25  не оказывает значительного влияния на пропускную способность водовода. С уменьшением  t/d ниже 0,75 сопротивление концевого участка резко возрастает, увеличиваясь, в среднем, на 70% по сравнению со случаем  t/d = 1. Обращает внимание слабое, в пределах 7-10%,  влияние относительного диаметра диска – отражателя  D/d  на величину коэффициента сопротивления  в диапазоне изменения  t/d = 0,75-1,25.

Более существенным оказывается  влияние относительной глубины h/d  воды в нижнем бьефе. Так, для случая t/d = 1 и h/d = 0,68  коэффициент xконц = 0,35-0,41 при всех значениях  D/d, тогда как в тех же условиях, но при h/d = 0,99 величина xконц 0,56. Отличие этих значений составляет 38-17%. Из данных рис. 3 следует, что наиболее рациональную высоту расположения диска – отражателя определяет значение  t/d = 1. При изменении этого параметра в ту или другую сторону сопротивление концевого участка возрастает, оставаясь относительно малым  в диапазоне изменения  t/d = 0,75-1,25.

 

Распределение пьезометрического давления по одному из створов измерений радиального направления показано на рис.4,B.

Рис.4. Распределение пьезометрических напоров (A, B, в см) и придонных скоростей (C, в см/с) в зоне выхода потока  (на модели) при  D/d = 3,

t/d = 0,75,  h/d = 0,45,

А –  на поверхности диска-отражателя,

В – по дну нижнего бьефа

 

При размерах выемки в зоне концевого участка, воспроизведенных на модели (рис. 2), картина распределения давления была, практически, осесимметричной. На рис.4,C  приведена эпюра придонных скоростей, замеренных в том же створе. Сопоставление этих данных свидетельствует, что под струёй, выходящей из вертикального водовода и распластавшейся после соударения с диском – отражателем, формируется валец со скоростями у дна, направленными к оси выходного участка. Пьезометрическая кривая в зоне вальца расположена ниже уровня воды в бьефе.

Пьезометрическое давление возрастает вблизи створа, где струя «садится» на дно и над ней возникает поверхностный валец. Здесь зафиксировано наибольшее значение пьезометрического напора, примерно на 40 % превышающее глубину воды за пределами вальца. Наличие указанного дефицита давления вблизи концевого участка может привести к деформации крепления дна. Видимо, крепление в этой зоне целесообразно выполнять дренированным, чтобы исключить взвешивающий эффект фильтрационного потока, натекающего из зоны повышенного давления.

Распределение давления на диск – отражатель со стороны струи, выходящей из вертикального водовода, представлено эпюрой пьезометрических напоров на рис.4,A. Видно, что при относительной высоте расположения диска  t/d =0,75  растекание струи на нём происходит в пределах площади диаметром около 1,7d. Далее поток движется по инерции, и у края диска возникает зона вакуума, вызванного искривлением струи под действием силы тяжести. На рис. 5 приведены графики зависимости отношений  величин силы  P давления струи на диск – отражатель, вычисленной по эпюрам пьезометрических напоров, и силы давления  R той же струи на плоскую стенку от соотношения  t/d  при разных значениях  D/d  и  h/d. Величину  R  вычисляли по формуле

(2)

где  r0, w, v0 – плотность воды, площадь выходного сечения вертикального водовода и средняя скорость струи в этом сечении. Из рис. 5 видно, что сила давления струи оказалась наибольшей при низком (t/d = 0,5) расположении всех дисков, независимо от глубины воды в бьефе. Минимальные величины этой силы получены для диска малого диаметра при  D/d = 1. Здесь значения  P/R  в диапазоне изменения  t/d = 0,5-1,25  не превысили 0,63. Малое относительное давление объясняется, видимо, отмеченным выше расширением струи на траектории её движения от выходного сечения до плоскости диска. При этом часть потока не входит в соприкосновение с ним, что снижает долю энергии струи, воспринимаемую диском.

 

Несколько неожиданными оказались величины относительного давления  P/R > 1, полученные при исследованиях работы модели с более крупными дисками – отражателями (D/d = 2 и D/d = 3).  Очевидно, это связано с искривлением струй на сходе с диска (см. рис. 4).  Скорости сходящих струй в таком случае имеют направление, составляющее с направлением оси компактной струи угол a > 90o.  С ростом этого угла возрастает, по сравнению с величиной, определяемой по зависимости (2), и сила давления на преграду, достигая в пределе (при a = 180o) значения P = 2r0, w, v02.

Уменьшение величин относительного давления P/R  с увеличением высоты расположения диска t/d, отмеченное на графиках рис. 5, обусловлено  возрастанием потерь энергии, связанных с расширением струи и ростом  затрат на подпитку донного (подструйного)  вальца. Наибольшая величина силы давления струи на диск – отражатель, зафиксированная в опытах, составила около 6400кН в пересчёте на натуру.

Кинематическая структура потока за концевым участком иллюстрируется данными рис. 4.  Здесь показаны очертания транзитной струи,  донного и поверхностного вальцов, а также график распределения  придонных скоростей  (рис. 4,С), построенные по эпюрам  скоростей в вертикальных сечениях, соответствующих точкам измерения (1-10).  Из этих данных видно, что на длине отлёта струи  l, отсчитываемой от края выходного сечения, и примерно равной 2,7d,  придонные скорости невелики  (около 1,7 м/c в пересчёте на натуру), и направлены противоположно движению транзитного потока. Наибольших значений, около 7 м/c, они достигают в зоне «посадки» струи на дно (в сжатом сечении), снижаясь далее до 4,2 м/c на длине 5 м.

На рис. 6 приведены графики  зависимости относительной длины отлёта струи  l/d  от  t/d  при различных размерах диска – отражателя и глубинах нижнего бьефа.

 

Интересно, что тенденции изменения l/d  для случаев диска малого (D/d = 1) и большого (D/d = 2-3) диаметров оказались противоположными: в первом случае с ростом  t/d  отлёт струи уменьшается, а в другом, наоборот, возрастает. Объясняется это следующими обстоятельствами.  При «большом» диске под ним формируется кольцевая струя с радиальными скоростями почти горизонтального направления, величина которых мало зависит от высоты расположения диска. С увеличением значений  t/d поднимается  ось струи и, соответственно, возрастает её отлёт. В случае, когда  диаметр диска меньше или равен диаметру выходного сечения водовода, часть компактной струи из-за её расширения по мере подъёма проходит, не соприкасаясь с диском, в направлении, близком к вертикальному. Другая её часть, распластываясь на диске, движется почти горизонтально. По этой причине радиальные скорости кольцевой струи по периметру диска отклоняются к верху тем сильнее, чем большая часть компактной струи проходит вне его контура. Таким образом, по мере увеличения  t/d  возрастает высота подъёма струи над уровнем диска – отражателя, значительная часть энергии потока расходуется на преодоление силы тяжести  и, соответственно, уменьшается длина отлёта струи.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения водоводов предложенного типа в качестве паводковых водосбросов, водоспусков и водовыпусков. Приведенные на рис. 3, 5, 6  графические зависимости позволяют назначить рациональное соотношение размеров концевого участка, и произвести расчёт пропускной способности сооружения с учётом влияния конструктивных особенностей  этого участка и глубины в нижнем бьефе на его гидравлическое сопротивление. Благоприятная кинематическая структура потока за концевым участком позволяет отказаться от устройства гасителей, растекателей и тяжелого крепления в нижнем бьефе сооружения.