МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

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

УДК 621.311+532.528

ПОВОРОТНО-СОПРЯГАЮЩЕЕ ВОДОПРОПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ ВИХРЕВОГО ТИПА

 

Б.А. Животовский – д.т.н., проф.; Карлос Морено – аспирант

Российский университет дружбы народов, г. Москва, Россия

Н.Н. Розанова – к.т.н., проф.

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

При проектировании магистральных каналов в условиях предгорного рельефа и больших уклонов местности используются поворотные и перепадные сопрягающие сооружения. Извилистость канала вызывает необходимость поворотных, а уклоны местности – перепадных сопрягающих сооружений. Такие каналы с бурным режимом течения характеризуются следующими параметрами: уклоны дна – i= 0,01-0,08; скорость потока – V = 1,5÷15,0 м/с; расход – Q ≤ 60 м3/с; числа Фруда – Fr = 2,0÷15,0 [1].

Сложность осуществления поворота канала с бурным течением приводит к необходимости разработки различных решений, позволяющих осуществлять поворот бурных потоков. Каналы целесообразно трассировать по ломанной в плане линии с прямолинейными участками. Это повышает коэффициент земельного использования, увеличение которого достигается путем применения сосредоточенных поворотных сооружений.

Существующие конструкции поворотных сооружений [1] имеют ряд недостатков: выплескивание (выброс) воды за борт сооружения; появление сбойного течения в канале за поворотом, распространяющееся на значительное расстояние; уменьшение пропускной способности на 20-50 %; необходимость устройства отдельных (дополнительно с поворотным) перепадных сопрягающих сооружений для гашения избыточной энергии потока; отсутствие возможности регулирования скорости потока на выходе из поворотного сооружения.

Представляет интерес новая конструкция поворотно-сопрягающего сооружения вихревого типа, свободная от вышеуказанных недостатков и совмещающая в одном сооружении функцию сосредоточенного поворота и функцию гашения избыточной кинетической энергии. Указанная конструкция представляет также интерес в экологическом аспекте, т.к. ее применение способствует повышению коэффициента земельного использования и экономному расходованию воды.

Предлагаемая конструкция позволяет осуществлять сосредоточенный поворот бурного потока на наиболее трудно осуществляемые углы поворота 90≥β≥45º и одновременно гасить избыточную кинетическую энергию потока в требуемых пределах.

Такое сооружение может быть создано на основе использования закрученных потоков (рис. 1), создаваемых с помощью тангенциальных завихрителей [2, 3].

Принцип работы предлагаемой конструкции состоит в следующем: поток в аванкамере (1) на входе в сооружение делится на две части, которые направляются в тангенциальные завихрители (закручивающие устройства) (2), где закручиваются в одном и том же направлении вращения. По водоводам (3) диаметром d закрученные потоки подводятся к напорной камере гашения (4). В камере гашения односторонне закрученные потоки соединяются и взаимодействуют друг с другом. На границе соприкосновения закрученных потоков векторы окружной скорости имеют противоположные направления. В силу вязкости жидкости взаимодействие потоков (особенно при противоположном направлении векторов окружной скорости) сопровождается спонтанным зарождением и распадом макро- и микровихрей, которые в свою оче-

Рис. 1. Принципиальная схема поворотно-сопрягающего сооружения:

1 аванкамера; 2 тангенциальный завихритель;

3 отводящий водовод; 4 камера гашения;

5 безнапорный отвод; 6 подводящий канал;

7 отводящий канал

редь генерируют последующие каскады вихрей различного масштаба. В результате резко возрастает турбулентность потока и повышается уровень диссипации энергии.

В камере гашения на относительно короткой длине  закрутка гасится, после чего поток с погашенным вращением, имеющий осевое (или близкое к нему) направление поступает из камеры (4) в безнапорный отвод (5) сооружения. На этом участке поток стабилизируется и покидает сооружение в требуемом направлении и с требуемой скоростью.

Интенсивность закрутки, от которой зависит степень гашения энергии потока, регулируется с помощью тангенциальных завихрителей потока путем придания им нужных форм и размеров. Эта интенсивность характеризуется интегральным параметром закрутки П0 или геометрической характеристикой тангенциального завихрителя А [2]

                                                       ,                                                                       (1)

где  – полное касательное напряжение у стенки и его тангенциальная составляющая;

                                                      ,                                                                     (2)

где R – радиус отводящего водовода;  – расстояние от оси отводящего водовода до центра тяжести ключевого сечения;  – площадь ключевого сечения (рис. 1).

Альтернативой предлагаемому сооружению являются, например, два отдельных сооружения: поворотное традиционного типа для осуществления поворота бурного потока и перепадное сооружение для гашения избыточной кинетической энергии потока [1].

Для проверки работоспособности предлагаемого сооружения с углом поворота потока  были выполнены гидравлические исследования на физической модели в ЦГИ ОАО «НИИЭС». Целью эксперимента являлось установление общих закономерностей, связанных с поворотом потока и гашением избыточной кинетической энергии, а также получение гидравлических характеристик, позволяющих оценить работу сооружения и разработать рекомендации по определению его геометрических размеров.

 Масштаб моделирования в эксперименте при принятых размерах модели (основной размер 0,17 м) составил относительно к возможным реальным условиям,1:10÷1:15, чему соответствуют натурные параметры канала: расход Q =10÷50 м3/с, скорость в отводящем канале 2,5÷4,0 м/с, перепад уровней дна 3,5÷5,0 м,

Элементы сооружения и их функция. Рассмотрим особенности каждого элемента сооружения и его влияние на компоновку и гидравлические характеристики потока.

Входной участок соединяет сооружение с подводящим каналом. Конструктивная схема этого участка зависит от угла поворота канала  и перепада отметок дна подводящего и отводящего каналов. Угол  влияет на интенсивность закрутки потока, которая в свою очередь определяется конструкцией тангенциального завихрителя, что учитывается умножением величин  П0 и А  на

                                       и   .                                       (3)

Возможные изменения конструктивной схемы входной части, зависящие от перепада отметок дна каналов, относятся только к входному участку и принципиально не влияют на работу и компоновку сооружения в целом.

В качестве закручивающего устройства, как отмечалось выше, принят тангенциальный завихритель, который является наиболее простым и надежным из всех известных типов закручивающих устройств. В данном сооружении тангенциальный завихритель, кроме функции обеспечения требуемой закрутки потока, выполняет еще функцию поворота потока. Заметим, что от интенсивности закрутки, характеризуемой величинами П0 и А, зависят основные гидравлические характеристики сооружения, в том числе его пропускная способность. Требуемая интенсивность закрутки определяется расчетом в зависимости от перепада уровней дна каналов и требуемой скорости на выходе из сооружения . Рекомендуемые значения величин П0 и А находятся в диапазоне: П0 = 0,6-0,8 и .

Камера гашения работает в напорном режиме и является наиболее важным элементом поворотно-сопрягающего сооружения. В ней гасится, как будет показано ниже, до 83% от всей энергии потока, погашенной внутри сооружения.

Основное назначение камеры: гашение избыточной кинетической энергии; преобразование закрученных потоков, поступающих в камеру, в осевые на выходе из камеры; формирование эпюр скорости в отводящем канале, благоприятных по кинематической структуре, то есть эпюр с равномерным характером распределения скорости.

Для исполнения своего назначения камера должна иметь соответствующие оптимальные размеры, которые установлены экспериментальным путем при ширине канала по дну В =3,5÷5 м. Для этих условий длина камеры гашения составила , ширина , высота . При данной длине камеры угол отклонения векторов скорости от осевого направления на выходе из камеры не превышает 8º для всех значений П0. Полная скорость потока V при этом отличается от ее проекции на осевое направление всего лишь на 1% (), то есть течение на выходе из камеры является практически осевым.

После камеры гашения поток поступает в безнапорный отвод (5), где он стабилизируется. Длина отвода также определена экспериментально и составляет .

Таким образом, общая длина напорной камеры гашения и безнапорного отвода, на которой закрученные потоки трансформируются в осевой, составляет , что удовлетворительно согласуется с результатами, полученными для водопропускного сооружения с взаимодействующими односторонне закрученными потоками [2;4].

Процессы, происходящие в камере гашения, влияют на кинематику потока в отводящем канале, где желательно иметь равномерные профили эпюр скорости. Анализ безразмерных эпюр скорости  ( – средняя скорость на вертикали;  – средняя расходная скорость в отводящем канале) в поперечных сечениях отводящего канала для разных значений параметра закрутки  указывает на достаточно равномерный характер распределения скорости по сечению отводящего канала при любой закрутке потока, что свидетельствует об интенсивном перемешивании и высокой турбулентности потока в камере гашения.

Таким образом, камера гашения вместе с безнапорным отводом выполняют все три возложенные на них функции: гашение энергии потока, трансформация закрученных потоков в осевой и формирование благоприятной кинематической структуры потока в отводящем канале.

Гидравлическое сопротивление. Степень гашения энергии потока определяется гидравлическим сопротивлением. Суммарное гидравлическое сопротивление, характеризуемое

коэффициентом  сооружения, включает в себя гидравлическое сопротивление: на вход (), завихрителя (), камеры гашения () и безнапорного отвода ().

                                           .                                                         (4)

Упомянутые коэффициенты гидравлического сопротивления нормируются по скоростному напору в сечении на выходе из напорной камеры гашения .

Таблица 1

Определение суммарного коэффициента гидравлического сопротивления тангенциального

завихрителя и камеры гашения (ξ з+ ξ к.г.)                                                                                                                                       

 

 Вариант

 

 

м³

Сеч. 0-0

Сеч. I-I

м

м

ΔE=0,35+

[10]-[11]

м

 

 

м

м/с

м

м

м/с

м/с

1

1,40

0,77

34,0

0,33

0,294

0,004

0,170

0,571

0,017

0,334

0,187

0,498

29,20

28,50

2

1,17

0,73

44,0

0,25

0,503

0,013

0,170

0,039

0,028

0,263

0,198

0,415

14,90

14,20

3

0,96

0,67

49,5

0,24

0,589

0,018

0,170

0,832

0,035

0,258

0,205

0,402

11,40

10,70

4

0,78

0,62

55,0

0,24

0,655

0,022

0,170

0,924

0,044

0,262

0,214

0,398

9,10

8,40

 

 

     

      ширина подводящего канала b = 0,35 м;  перепад  = 0,35м;  ширина отводящего канала  b = 0,35 м; 0,7.

 

В результате эксперимента получена зависимость суммарного коэффициента гидравлического сопротивления завихрителя и камеры гашения от параметра закрутки , которая представлена в табл. 1.

Таблица 2

Таблица зависимостей  и

П0

0,60

8,0

0,4

0,70

7,30

0,640

2,4

0,65

9,5

0,6

1,03

8,47

0,66

2,7

0,70

12,5

1,2

2,06

10,44

0,670

2,9

0,75

21,0

2,0

3,44

17,56

0,695

3,4

0,77

28,7

2,5

4,30

24,40

0,720

4,3

 

В эксперименте не удалось разделить гидравлическое сопротивление завихрителя и камеры гашения. Между тем, такое разделение представляет интерес для лучшего понимания происходящих процессов. Разделение можно в первом приближении произвести, используя зависимость коэффициента гидравлического сопротивления тангенциального завихрителя от его геометрической характеристики , приведенную в работе [3]. В результате получены зависимости  и , которые представлены в табл. 2.

Здесь коэффициент  нормирован по скоростному напору в круглом выходном сечении узла закрутки [3]. Для перехода к  нормированию по скоростному напору, принятому в нашей работе, коэффициент  умножался на поправочный коэффициент

.

С использованием полученных зависимостей устанавливается вклад каждого элемента сооружения в гашение избыточной кинетической энергии потока для разных значений П0. При этом не будем учитывать малую величину гидравлического сопротивления безнапорного отвода. Расчет сведен в табл. 3.

Таблица 3

Определение потерь энергии потока по элементам сооружения

 

П0

Коэффициенты гидравлического

 сопротивления

Потеря энергии в % по элементам сооружения

вход

завихритель

камера гашения

0,60

8,5

0,5

0,70

7,30

6,0

9,0

85,0

0,65

10,0

0,5

1,03

8,47

5,0

10,0

85,0

0,70

13,0

0,5

2,24

10,44

4,0

16,0

81,0

0,75

21,5

0,5

3,44

17,56

3,0

15,0

82,0

0,77

29,2

0,5

4,30

24,40

2,0

15,0

83,0

 

Из таблицы следует, что в среднем гашение энергии составляет: на входе – 4,0 %, в тангенциальном завихрителе – 13 %, в камере гашения – 83 % от всей энергии, погашенной внутри сооружения, то есть основную роль в гашении энергии потока в сооружении играет камера гашения. По полученным результатам можно построить линию энергии вдоль сооружения, характеризующую энергетическую структуру потока по элементам сооружения.

Пропускная способность. Расход через сооружение определяется по формуле:

                                                            ,                                                       (5)

где                                                             ,                                                           (6)

                                                    ,                                               (7)

 – площадь поперечного сечения на выходе из напорной камеры гашения или безнапорного отвода ();   H  – действующий напор;   V0 – средняя скорость на входе в сооружение;      – коэффициент расхода.

Здесь коэффициент  находится с помощью известных методов. При определении суммарного коэффициента  используется зависимость ,  (табл.  1).

Оценка эффективности работы сооружения. Эффективность работы сооружения оценивается в соответствии с задачами, которые на него возложены, а именно:

1.  Осуществление сосредоточенного поворота;

2.  Формирование благоприятной кинематической структуры потока в отводящем канале после сооружения;

3.  Гашение избыточной энергии потока внутри сооружения.

Способность сооружения осуществлять спокойный (без отрицательных явлений) сосредоточенный поворот потока на заданный угол нельзя оценить критериально. Она оценивается по условиям, имевшим место в эксперименте. Условия на модели в эксперименте были спокойными при всех параметрах закрутках  и расходах Q. Выплескивание воды, образование сбойных течений в отводящем канале, равно как вибраций сооружения, не наблюдалось.

Наблюдалось обратное: формирование потока с благоприятной кинематической структурой в отводящем канале. В качестве критерия оценки этой структуры с учетом равномерного характера эпюр скорости было сформулировано требование

                                                        ,                                                               (8)

которое должно выполняться в сечении, отстоящим от начала отводящего канала на расстояние до 10 ( – критическая глубина,  – максимальное значение по эпюре скорости в отводящем канале). Анализ безразмерных эпюр скорости  в сечении отводящего канала, отстоящем от начала канала на расстоянии до 10, показывает что условие (8) выполняется во всех случаях для всех расчетных расходов и интенсивностей закрутки потока. Отметим, что условие (8) является более жестким, чем условие, предъявляемое к сопрягающим сооружениям с гасителями энергии традиционного типа [5], согласно которому отношение скоростей должно находиться в пределах

                                                                                                                        (9)

 в сечениях, отстоящих на расстояние (10–20) от начала отводящего канала.

Таким образом, можно констатировать, что по оценке эффективности работы поворотно-сопрягающего сооружения первые две задачи (осуществление поворота канала и формирование благоприятной кинематической структуры потока в отводящем канале) выполняются.

В качестве критериев, характеризующих эффективность работы сооружения, по степени гашения избыточной кинетической энергии потока используются: коэффициент гашения энергии  и коэффициент уменьшения скорости потока .

Коэффициент гашения энергии представляет собой отношение погашенной в сооружении энергии к начальной энергии на входе в сооружение

                                                        ,                                                             (10)

где  – удельная энергия соответственно на входе в сооружение и выходе из камеры гашения (при плоскости сравнения совмещенной с дном отводящего канала).

Коэффициент гашения энергии  зависит от параметра закрутки . Зависимость , полученная на основании экспериментальных данных, представлена в таблице 2. Из таблицы видно, что в рабочем диапазоне изменения значений  коэффициент гашения энергии  изменяется от 0,64 до 0,73, то есть в сооружении гасится до 73 % начальной энергии потока.

Коэффициент уменьшения скорости  представляет собой отношение коэффициента расхода сооружения с осевым потоком  к соответствующему коэффициенту расхода с закрученным потоком .

                                                          .                                                                  (11)

Коэффициент  определяется по формуле

                                                   ,                                                     (12)

где в первом приближении коэффициент гидравлического сопротивления на вход принимается равным .

Коэффициент  зависит от параметра закрутки . Зависимость , полученная на основании экспериментальных данных, представлена в табл. 2. Из таблицы следует, что значение коэффициента  изменяется от 2,4 до 4,3. Это означает, что скорость на выходе из сооружения уменьшается в 2,4÷4,3 раза за счет гашения избыточной энергии потока внутри сооружения.

Можно констатировать, что по оценке эффективности работы сооружения задача гашения избыточной энергии потока также выполняется: в сооружении гасится до 73% начальной энергии потока, а скорости на выходе из сооружения уменьшаются в 2,4÷4,3 раза по сравнению с осевым потоком.

 

Вывод

 

Предлагаемое поворотно-сопрягающее водопропускное сооружение вихревого типа работоспособно и эффективно осуществляет поворот бурного потока при углах . Оно обеспечивает гашение избыточной кинетической энергии потока внутри сооружения и формирование благоприятной кинематической структуры потока в отводящем канале, что повышает экологическую безопасность объекта.

 

Библиографический список

 

1.      Бейшекеев К.К. Ломаные в плане поворотные сооружения для каналов с бурным режимом течения. Автореф. дис.… канд. тех. наук. – Фрунзе: ВНИИКА мелиорация, 1988.

2.      Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

3.      Галант М.А., Животовский Б.А., Новикова И.С., Родионов В.Б., Розанова Н.Н. Особенности вихревых туннельных водосбросов и гидравлические условия их работы. //Гидротехническое строительство, 1995, № 9. С. 16-22.

4.      Розанова Н.Н. Основные факторы, влияющие на эффективность гашения энергии потока в вихревых  туннельных  водосбросах  с  гасительной камерой.   //Труды МГМИ. – М., 1981, Т. 69. С. 75-83.

5. Устройство нижнего бьефа водосбросов. /Под ред. Н.П. Розанова. – М.: Колос, 1984.