Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Краткий обзор современных средств регулирования расхода и направления их совершенствования 11
1.1 Технические средства регулирования водоподачи на открытых каналах 11
1.2 Основные положения гидравлического расчета гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу 23
1.3 Необходимость совершенствования выходного участка регуляторов 29
1.4 Возможные способы модификации гидродинамических водовыпусков 33
1.5 Выводы по Главе 1 36
ГЛАВА 2 Экспериментальная установка, планирование и статическая обработка результатов гидравлического эксперимента 39
2.1 Цели проведения эксперимента 39
2.2 Планирование эксперимента 40
2.3 Выбор критериев моделирования из условий подобия натурного и модельного сооружений 46
2.4 Описание экспериментальной установки и физических моделей 48
2.5 Измерительные приборы 51
2.6 Методика проведения эксперимента 53
2.7 Тестирование выбросов 55
2.8 Проверка условий воспроизводимости и повторяемости 55
2.9 Оценка точности непосредственно измеряемых величин
2.10 Оценка точности косвенно измеряемых величин 64
2.11 Выводы по Главе 2 68
ГЛАВА 3 Экспериментальное и численное исследование течений в коротких диффузорах 70
3.1 Расчет регулирующей способности водовыпуска при различных формах исполнения выходного участка 70
3.2 Варианты расстановки дефлекторов в коротких диффузорах 75
3.3 Экспериментальные исследования гидравлических характеристик диффузоров 79
3.4 Численное моделирование течения жидкости в коротких диффузорах с большой степенью расширения 89
3.4.1 Выбор граничных условий, расчетной сетки и математической модели физических процессов в проточной части водовыпуска 89
3.4.2 Сравнение результатов численного и гидравлического эксперимента 95
3.4.3 Сравнение течения жидкости в исследуемых конструкциях
3.5 Факторный анализ влияния формы, способа расстановки и числа дефлекторов на гидравлические характеристики коротких диффузоров 100
3.6 Выводы по Главе 3 104
ГЛАВА 4 Теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу 107
4.1 Особенности гидравлического расчета регуляторов при реконструкции водопропускного сооружения 107
4.2 Определение параметров диафрагмы в выходном сечении трубчатого водовыпуска 113
4.3 Определение заглубления выходного сечения водовыпуска 119
4.4 Варианты исполнения проточной части регуляторов 126
4.5 Коэффициент сжатия транзитного потока управляющим 129
4.6 Динамика коэффициента Кориолиса в камере слияния 133
4.7 Динамика коэффициента расхода регулятора 134
4.8 Определение параметров диффузорных выходных участков и пределов регулирования для реконструируемых водопропускных сооружений 140
4.9 Определение статических характеристик регуляторов с усовершенствованной проточной частью 151
4.10 Выводы по Главе 4 155
Заключение 159
Список сокращений и условных обозначений 163
Список литературы
- Основные положения гидравлического расчета гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу
- Выбор критериев моделирования из условий подобия натурного и модельного сооружений
- Варианты расстановки дефлекторов в коротких диффузорах
- Определение параметров диафрагмы в выходном сечении трубчатого водовыпуска
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Рациональное использования водных ресурсов – одна из приоритетных задач Федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах». Для ее решения необходимо не только строительство новых, но и реконструкция существующих мелиоративных систем с последующей автоматизацией водораспреде-ления. Гидродинамические стабилизаторы и регуляторы расхода используют возобновляемую энергию потока и способны осуществлять процесс регулирования при перепадах бьефов в створе перегораживающего сооружения от 0,2 до 5 метров.
Степень её разработанности. Теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических стабилизаторов были выполнены П.Е. Лысенко, В.Л. Снежко (Москалевой), Э.С. Бегляровой и Д.М. Бениным, который впервые использовал на концевом участке напорного водовыпуска плоский короткий диффузор с высокой степенью расширения для увеличения диапазона стабилизации по напору. Две разделительные стенки, снижающие сбойность течения в диффузоре, не смогли в полной мере обеспечить равномерное распределение скоростей при выходе потока в нижний бьеф (скорости за центральным отсеком были выше скоростей за боковыми отсеками в 2-3 раза), что негативно отразилось на гидравлических условиях работы сооружения. Хусни Санал Ибрагим на базе диффузоров с малыми углами и степенями расширения получил регулятор с обратной гидравлической связью между объемом водопотребления в нижнем бьефе и водоподачей. Однако, при регулировании ядро максимальных скоростей смещалось в нижнюю треть сечения по высоте. Для снижения пропускной способности С.И. Хусни увеличивал угол и площадь подвода потока управления (как выяснилось позднее – факторы, оказывающие наименьшее влияние на динамику коэффициента расхода), что делало регуляторы конструктивно сложными в исполнении.
Методические рекомендации по назначению геометрических размеров и гидравлическому расчету разработаны только для проектируемых водовыпусков-регуляторов. В этом случае практически всегда можно подобрать форму проточной части, отвечающую заданной точности регулирования. При реконструкции существующих водовыпусков экономически целесообразно максимальное использование труб, находящихся в удовлетворительном состоянии, следовательно, часть геометрических параметров сооружения заранее известна и изменению не подлежит. Для обеспечения напорного течения может потребоваться заглубление выходного сечения исходного водовыпуска, что крайне нецелесообразно. Это накладывает более жесткие ограничения на условия привязки регуляторов к уровням воды в каналах.
Цели и задачи. Целью исследований стало совершенствование проточной части гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу для увеличения диапазона регулирования по напорам при сохранении конструктивной простоты,
а также создание методики расчетного обоснования параметров выходных участков реконструируемых трубчатых водовыпусков. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
– выполнить анализ современных средств регулирования водоподачи и уточнить классификацию гидродинамических водовыпусков;
– изучить достоинства и недостатки существующих гидродинамических регуляторов расхода и определить возможные способы модификации сооружений;
– на физических и численных моделях исследовать гидравлические характеристики коротких несимметричных прямоугольных диффузоров с высокой степенью расширения при наличии дефлекторов;
– обосновать эффективность применения направляющих лопаток (дефлекторов) в коротких несимметричных диффузорах с высокой степенью расширения, изучить влияние геометрических параметров дефлекторов на гидравлические характеристики диффузоров и разработать рекомендации по расстановке дефлекторов;
– экспериментально изучить гидравлические характеристики регуляторов расхода с усовершенствованными вариантами исполнения проточной части, в том числе с диафрагмой в камере слияния;
– проверить возможность использования существующих расчетных зависимостей для определения диапазона регулирования по напорам водовыпусков с усовершенствованной проточной частью;
– разработать методику расчетного обоснования геометрических параметров диффузоров и диафрагм реконструируемых трубчатых водовыпусков, и программу, реализующую расчеты;
– определить статические характеристики регуляторов для возможной оценки их дальнейшего использования в системах каскадного регулирования водоподачи.
Научная новизна работы состоит в:
– определении гидравлических характеристик несимметричных коротких прямоугольных диффузоров с высокими степенями расширения при наличии дефлекторов, в том числе: коэффициентов Кориолиса и коэффициентов местных сопротивлений при выходе потока в нижний бьеф и при работе в сети;
– разработке рекомендаций по установке дефлекторов в проточной части несимметричных коротких диффузоров с высокой степенью расширения из условий снижения гидравлического сопротивления и обеспечения равномерности распределения скоростей в выходном сечении;
– оценке влияния формы, способов расстановки и числа дефлекторов на гидравлические характеристики диффузоров;
– разработке усовершенствованных конструкций проточной части регуляторов расхода воды по нижнему бьефу, в том числе имеющих диафрагму в камере слияния, и обеспечивающих увеличение диапазона регулирования при конструктивной простоте исполнения;
– разработке методики расчетного обоснования геометрических параметров
диффузоров и диафрагм, и определении гидравлических характеристик реконструируемых водовыпусков для различных вариантов труб в случаях увеличения либо сохранения пропускной способности исходного сооружения;
– изучении пропускной способности гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу усовершенствованной конструкции;
– определении динамики гидравлических характеристик водовыпусков в процессе регулирования: коэффициента Кориолиса для транзитного и управляющего потоков в камере слияния, коэффициента сжатия транзитного потока управляющим;
– оценке приемлемости существующих расчетных зависимостей по определению предельного диапазона регулирования по напорам для регуляторов с усовершенствованной проточной частью;
– определении статических характеристик регуляторов с усовершенствованной проточной частью.
Теоретическая и практическая значимость работы. Для получения гидродинамических регуляторов расхода автоматического действия разработаны методика привязки расширяющегося выходного участка к реконструируемым водо-выпускам и программа, реализующая расчеты. Полученные значения коэффициентов гидравлических сопротивлений диффузоров могут быть использованы в качестве справочных данных при выполнении гидравлических расчетов напорных систем и гидротехнических сооружений, а рекомендации по способам размещения дефлекторов использованы при проектировании диффузоров с высокими степенями расширения. Предлагаемые усовершенствованные конструкции гидродинамических регуляторов расхода являются простыми в технологическом исполнении, позволяют увеличить диапазон регулирования и снизить материалоемкость конструкции.
Методология и методы исследования. Основы исследований строились исходя из анализа литературных источников по теме диссертации, теории планирования эксперимента, общих законов и уравнений гидравлики, современных возможностей численного моделирования несжимаемых турбулентных течений, методов математической статистики.
Положения, выносимые на защиту:
– гидравлические характеристики несимметричных коротких прямоугольных диффузоров при различных способах установки дефлекторов;
– рекомендации по установке дефлекторов в коротких несимметричных диффузорах с высокой степенью расширения, позволяющие снизить коэффициент сопротивления и обеспечить равномерность распределения скоростей в выходном сечении диффузора;
– усовершенствованные формы исполнения проточной части гидродинамических регуляторов расхода;
– методика расчетного обоснования геометрических параметров диффузоров и диафрагм и определения гидравлических характеристик реконструируемых
водовыпусков для различных вариантов труб в случаях увеличения либо сохранения пропускной способности исходного сооружения.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты теоретических расчетов не противоречат основам теории гидродинамического регулирования и классической гидравлики, приведенным в научной и справочной литературе. Используемые методы проведения и оценки точности результатов физического эксперимента соответствуют требованиям ГОСТ Р ИСО 5725-2002. Качество полученных экспериментальных зависимостей проверено в большом объеме с использованием методов математической статистики. Численное моделирование течения выполнено в международно-сертифицированном программном комплексе STAR CMМ+. Данные, полученные теоретическим путем, данные физического эксперимента и численного моделирования течения достаточно хорошо согласуются.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры информационных технологий в строительстве и кафедры комплексного использования водных ресурсов и гидравлики Института природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, а также на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (22-25 апреля 2014 г.; 2-4 декабря 2014 г.; 2-3 июня 2015 г.); научно-практической конференции с международным участием «XLII Неделя науки СПбГПУ», г. Санкт-Петербург, ФГАОУ ВО СПбПУ, 2-7 декабря 2013 г.; 71-ой всероссийской научно-практической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», г. Самара, ФГБОУ ВПО СГАСУ, 7-11 апреля 2014 г.; X международной научно-практической конференции «Перспективные вопросы мировой науки», Болгария, г. София, 17-25 декабря 2014 г.
По результатам диссертационного исследования опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 139 наименований, в том числе 17 – на иностранном языке. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 68 рисунков и 30 таблиц, текст дополняют приложения.
Основные положения гидравлического расчета гидродинамических регуляторов расхода по нижнему бьефу
При движении воды через зарядный насадок 2 на его входе создается вакуум, под действием которого уровень воды, достигнув гребня сифона, перельется через него, захватывая с собой воздух в водобойный колодец, что обеспечит запуск регулятора в работу. По мере увеличения расхода через сифон и при достижении уровня в водобойном колодце отметки ватерлинии и дальнейшем его росте до уровня установки поплавкового датчика, последний всплывает и открывает воздуховпускной штуцер. Воздух из атмосферы засасывается под капор сифона на гибкой разрядной трубке 5, что уменьшает разрежение под капором и препятствует дальнейшему увеличению расхода воды через сифон. Диапазон устойчивого регулирования по расходу составляет 0,051,00 м3/с.
Другим примером сооружения, изменяющего расход с помощью пневмо-гидравлического давления, служит разработанный СевНИИГиМом автоматический регулятор Г. Л. Батина [8].
Сооружениями автоматического регулирования расхода воды, работающими по принципу слияния обратных встречных струй по отношению друг к другу и основному потоку, являются гидроавтоматы фирмы «Согреан» и затворы Пенджабского инстититута [113]. К этой группе также можно отнести разработанный институтом «Средазгипроводхлопок» стабилизатор расхода (авторы И. Б. Хама-дов, А. Л. Гартунг, Л. С. Литвак, Л. А. Ом). Стабилизатор, приведенный на рисунке 1.6, состоит из следующих элементов [112]: неподвижных закладных частей – корпуса с порогом водослива 1; пазов для перемещения щита; рамы со шкалой значения постоянных расходов воды и с отверстием для замка, присоединение которого исключает возможность подъема затвора вверх; подвижных частей – скользящего плоского затвора с одиночным (либо двойным) наклонным козырьком 2, предназначенным для увеличения гидравлических сопротивлений потока. Постоянство расхода достигается за счет изменения местных сопротивлений и сжатия потока с увеличением уровня воды в верхнем бьефе.
Стабилизатор расхода рассчитан на максимальную пропускную способность Q=(0,20,5) м3/с с допустимым пределом колебаний уровня воды в верхнем бьфе Нвб.=(0,180,7) м, и допустимым перепадом уровней бьефов 0,130,47 м. Рисунок 1.6 – Автомат И. Б. Хамадова, А. А. Гартунга: 1 – порог-водослив практического профиля; 2, 3 – передний и задний наклонные козырьки; 4 – винтовой подъемник. Использование противотока основному потоку с помощью неподвижных конструкций применяется в стабилизаторах расхода «коробчатый щит», устанавливаемых на открытых каналах, водозаборных гидроузлах и в неглубоких бассейнах суточного регулирования. Сооружения имеют ряд модификаций: ступенчатый секционный коробчатый щит; двух коробчатый щит; коробчатый моноблок с гидроприводом управления.
Ступенчатый секционный коробчатый щит приведен на рисунке 1.7 [2]. Стабилизатор расхода содержит коробчатый затвор 1 со ступенчатой верховой гранью 3 и ступенчатым водосливом, жестко заделанным в устои сооружения. Нижние ребра верховой и низовой граней затвора снабжены соответственно криволинейным 4 и плоским козырьками, расположенным на одном уровне. Стабилизатор рассчитан на максимальную пропускную способность Q=5 м3/с с допустимыми колебаниями верхнего бьефа Нвб.=(0,51) м и диапазоном напоров Н=(0,751,6) м. Основной физический принцип работы сооружений данной подгруппы –изменение пространственной структуры потока со стороны верхнего бьефа при помощи сжатия потока, путем перехода на истечении из-под затвора. а б
Использование дополнительных гидравлических потерь в напорных потоках является достаточно новым направлением в автоматизации водоподачи. Гидроавтоматы этого типа используют расширяющийся низовой участок. Модуль Кеннеди (рисунок 1.9) состоит из сходящегося насадка 1, соединенного короткой цилиндрической горловиной 2 с конической расходящейся трубой 3. В горловине устроен шибер 4 для регулирования расхода и отверстие 5 для подводящей воздух трубки 6. Водовыпуск пропускает постоянный расход по следующему принципу: чем больше вакуум в короткой цилиндрической горловине, тем больше скорость притока воды из распределителя и тем больше ее расход, но как только вакуум нарастает, по воздушной трубке начинает поступать воздух, благодаря чему ваку ум снижается и, соответственно, уменьшается расход [46, 47].
Водовыпуск Кеннеди рассчитан для применения в каналах старшего порядка, при уровнях верхнего бьефа Нвб. 1 м и отсутствии влекомых наносов.
В 1988-1991 гг. во ВНИИГиМ имени А.И. Костякова предложен принципиально новый способ регулирования расходов воды, названный гидродинамическим саморегулированием или гидродинамическим регулированием. Регулирующее механическое воздействие на транзитный поток (перекрытие части водопро 21
пускного сооружения или сжатия транзитного потока затвором) заменено качественно иным, использующим эффект слияния двух напорных потоков, транзитного и управляющего [115, 104, 97]. Гидродинамические стабилизаторы и регуляторы
расхода воды по принципу изменения коэффициента расхода в функции Н относятся к четвертой группе гидроавтоматов.
Дополнительные гидравлические потери при слиянии напорного транзитного и управляющего потоков используют гидродинамические стабилизаторы расхода, приведенные на рисунке 1.10 [99, 11]. Входной оголовок 4 водопроводящей трубы 3 располагается в канале старшего порядка. Через водосливную грань входного оголовка 2, расположенную на отметке минимального УВБ, в камеру слияния 1 самотеком поступает управляющий поток (начинается процесс взаимодействия транзитного и управляющего потоков) при росте УВБ выше минимального.
Выбор критериев моделирования из условий подобия натурного и модельного сооружений
Гидравлические характеристики исследуемых моделей – коэффициенты местных сопротивлений, коэффициенты расхода являются косвенными, так как в их определении участвуют несколько непосредственно измеряемых величин.
Определение значения коэффициента местного сопротивления косвенным методом после подстановки всех непосредственно измеряемых величин может быть представлено выражением: где - коэффициент местного сопротивления; 4.– гидравлический диаметр водо проводящей трубы; Аloc– значение местной потери напора; Лf– значение суммарной потери напора; hL - значение потери напора на трение; /– расчетная длина между створами; Q- расход; – площадь живого сечения водовода; \х - коэффициент расхода гидродинамического регулятора; Явб., Янб.– горизонт воды в верхнем и нижнем бьефах.
Систематическая ошибка определяется путем нахождения частных производных от натуральных логарифмов функций, включающих комбинацию непосредственно измеряемых величин [99]:
Коэффициенты местных гидравлических сопротивлений. В формуле определения погрешности участвуют три непосредственно измеряемых величины: диаметр трубопровода, при измерении штангенциркулем систематическая ошибка равняется Bdг.=0,05 мм [48]; разность показаний входного и выходного контрольного пьезометра с систематической ошибкой Bhloc.=1 мм и расход BQ=0,065 л/с.
Систематическая погрешность экспериментального значения коэффициентов местных сопротивлений В:
Случайная ошибка коэффициентов местных сопротивлении включает случайные ошибки перечисленных выше величин, которые вычислены для доверительного интервала вероятности 0,95: edг.=0,055 см, еhloc=0,05 см, еQ=0,021 л/с. Случайная ошибка экспериментального значения коэффициентов местных сопротивлений составила е: Єг=±(,\
Так как систематическая и случайная ошибки определения коэффициентов местных сопротивлений отличаются менее чем в 3 раза, находим суммарную абсолютную и относительную ошибку.
Коэффициент расхода. Точность измерения коэффициента расхода связана с результатами непосредственных измерений диаметра водовода, расхода и напора (разности отметок верхнего и нижнего бьефа). Систематические ошибки перечисленных выше величин: BdT =0,005 см, Q=0,065 л/с, 5h=0,l см. Систематическая ошибка экспериментального значения коэффициента расхода : Яи = ±Н- [ + (-0,5) 5L + (_2) 3 j. (2.62) При определении коэффициента расхода значение предельной и относительной систематической ошибки составляло: B =
Случайная погрешность полученной в физическом эксперименте величины коэффициента расхода регулятора включает случайные ошибки диаметра, напора и расхода, вычисленные для доверительной вероятности 0,95: edг.=0,055 см, еh=0,05 мм, еQ=0,021 л/с.
Для исследования гидравлических характеристик коротких диффузоров с высокими степенями расширения были созданы пять моделей трубопроводов с диффузорами на концевом участке, отличающимися числом, формой обточки торцевых поверхностей и способом расстановки дефлекторов. Для изучения гидравлических характеристик гидродинамических регуляторов расхода было создано три модели, имеющих короткие диффузоры с разделительными стенками, диффузоры с тремя рядами дефлекторов при наличии и отсутствии диафрагмы в камере слияния. Все модели изучены в зеркальном гидравлическом лотке в диапазоне чисел Рейнольдса, обеспечивающем квадратичную область гидравлических сопротивлений.
Планирование эксперимента включало построение комбинационного квадрата и определение числа уровней в каждой серии, которые необходимо исследовать для обеспечения удовлетворительных статистических оценок регрессионных уравнений. Основной варьируемый фактор – напор, обеспечивающий требуемые значения чисел Рейнольдса. Выборки сформированы простым случайным бесповторным отбором. Общее число уровней равнялось 40, число серий – 11.
Масштаб моделирования L=1:10 распространялся не только на линейные размеры модели, но и на эквивалентную равномерно-зернистую абсолютную шероховатость материала стенок моделей. Определяющий критерий моделирования течения воды в регуляторах – критерий Фруда.
Обработка результатов измерений производилась согласно ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 [38]. Каждая серия была тестирована на выбросы наибольшего/наименьшего результатов. Доказано, что эксперимент выполнен в условиях повторяемости, поэтому для осреднения результатов повторных замеров на каждом уровне варьируемого фактора принято среднее арифметическое значение. Число повторных замеров величин на фиксированном уровне варьируемого фактора определялось из условий критического диапазона (определяемого по данным контрольной серии замеров) и изменялось от трех до десяти в зависимости от колеб 69 лемости показаний. Общее количество экспериментов с учетом повторов составило 527.
Для вероятности P = 95% были определены суммы лабораторных и случайных составляющих систематической ошибки. Для непосредственно измеряемых величин предельные значения суммарной относительной ошибки определения глубины потока 3,08%, расхода модельной установки 2,29%, расхода управляющего водослива 4,09 %, пьезометрического давления 1,75%, местных скоростей потока со свободной поверхностью 3,38%. Для косвенно измеряемых величин коэффициентов местных гидравлических сопротивлений 2,5%, коэффициентов расхода 1,23%. Принятая методика проведения эксперимента обеспечила получение результатов с достаточной степенью точности.
Варианты расстановки дефлекторов в коротких диффузорах
В настоящее время актуальным вопросом является не столько строительство новых, сколько реконструкция и автоматизация существующих оросительных систем. При реконструкции входящих в такие системы водовыпусков для устройства регуляторов расхода по нижнему бьефу экономически целесообразным является максимальное использование проложенных напорных труб (при их удовлетворительном состоянии). В этом случае часть геометрических параметров проточной части сооружений заранее известна и изменению не подлежит. Основная сложность заключается в подборе диффузорного участка, размеры которого ограничены не только шириной и глубиной воды в канале, но и диаметром входного сечения. При этом реконструируемый водовыпуск должен обладать той же пропускной способностью, что и исходный, либо иметь большую пропускную способность. До настоящего времени вопрос назначения параметров реконструируемых водовыпусков детально изучен не был.
При выполнении гидравлического расчета водовыпусков-регуляторов по нижнему бьефу необходимо знать не только коэффициент сопротивления диффузора при работе в сети Сд.с. , но и коэффициент сопротивления диффузора при выходе потока в объем нижнего бьефа: д = д с + вых 1/2 f, где авых - коэффициент Кориолиса в выходном сечении диффузора. Ввиду нестандартного исполнения диффузоров (несимметричные прямоугольные конструкции, расширяющиеся только в горизонтальной плоскости, либо в 3-х плоскостях) данные по значениям этих коэффициентов в справочной литературе найти достаточно сложно. Поэтому при реконструкции рекомендуется использовать только те диффузоры, работа которых изучена экспериментально.
Расчетная схема реконструируемого водовыпуска приведена на рисунке 4.2. Входной оголовок 7, головной затвор для полного отключения сооружения 2 и водопроводящая труба 3 могут быть запроектированы (в случае строительства нового регулятора) либо иметь заданные размеры уже существующего сооружения. Высотное расположение водосливной кромки 6 диктуется заданным минимальным уровнем воды в нижнем бьефе УТШmin, длина водосливной кромки определяется расчетом, высота водосливной кромки над верхней точкой выходного се
За плоскость сравнения принимается отметка низа выходного сечения трубы, расположенная ниже отметки дна подводящего канала ДВ на величину р. В общем случае нижняя точка выходного сечения может быть заглублена под отметку дна отводящего канала ДН на некоторую величину н. Глубина воды в подводящем канале Нвб. считается постоянной, глубина воды в отводящем канале Hнб. обеспечивает затопление верхней кромки выходного сечения трубы на величину подтопления =Hнб.+н–hтр. для водовыпусков прямоугольного поперечного сечения с высотой трубы hтр. и =Hнб.+н–dтр. для водовыпусков круглого поперечного сечения с диаметром трубы dтр..
При работе водовыпуска в расчетном режиме уровень нижнего бьефа равен УНБmin. Расход Qт, пропускаемый водовыпуском, определяется по формуле:
Снижение водопотребления ниже створа перегораживающего сооружения при постоянстве расхода, подаваемого верхним каналом, вызовет рост уровня воды в нижнем бьефе до отметки ІУНБmax. Напор на регулятор снизится на величину AZн, которая диктуется максимально допустимым ростом уровня воды в отводящем канале.
Устройство регулирующего выходного участка должно при росте уровня нижнего бьефа на величину AZн обеспечить снижение пропускной способности регулятора за счет роста управляющего расхода q и снижения транзитного Q. В идеальном случае именно при отметке нижнего бьефа УНБmax коэффициент расхода регулятора достигает своего наименьшего значения }і пред., а рост нижнего бьефа соответствует пределу регулирования по напорам: AZн =1 УНБmax- і УНБmin = АЯрег, (4.2)
При реконструкции существующего напорного водопропускного сооружения необходимо назначить конструктивные параметры надстраиваемого низового участка, исходя из максимальной пропускной способности будущего регулятора, и проверить, обеспечивает ли диапазон регулирования по напорам предельно допустимый рост уровня нижнего бьефа, вызываемый снижением водопотребления. При выполнении этого условия падение расхода регулятора от Qmax до 2min перекрывает уменьшение водопотребления, горизонт нижнего бьефа начинает снижаться, управляющий расход q уменьшается, транзитный расход Q увеличивается и система стремится к новому равновесию. При прекращении водопотребления головной затвор регулятора должен быть перекрыт полностью.
Дооборудование выходного участка водовыпуска диффузором-регулятором неизбежно вызовет увеличение пропускной способности исходного сооружения. В связи с этим возможны следующие расчетные случаи:
Если обозначить отношение расхода, подаваемого трубчатым водовыпус-ком тр., к максимальному расходу будущего регулятора Qmax (вычисленного в предположении, что управляющий поток отсутствует) через коэффициент изменения расхода i g получим выражение: тр. = КQ, (4.3) 2max где KQ - коэффициент изменения расхода водовыпуска-регулятора после реконструкции. Если реконструкция не предусматривает увеличения пропускной способности сооружения, то величина KQ=1; если увеличение пропускной способности предусмотрено, то величина KQ 1. Проведем совместный анализ уравнения сохранения энергии для входного сечения камеры слияния (близкого к выходному сечению трубы) и сечения, непосредственно близкого к выходному сечению диффузора (рисунок 4.3), и уравнения изменения расходов (4.3). При этом площадь входного сечения камеры слияния 1 может быть не равна площади выходного сечения трубы тр.
Определение параметров диафрагмы в выходном сечении трубчатого водовыпуска
Для всех возможных значений коэффициента изменения расхода реконструируемого водовыпуска KQ и диффузоров 4-х типов получены зависимости, позволяющие определять площадь живого сечения под диафрагмой для труб с различным коэффициентом расхода тр..
Диффузоры с дефлекторами и разделительными стенками увеличивают расход водовыпуска в 1,3..1,4 раза и обеспечивают более широкий диапазон изменения KQ (от 1 до 0,73). Для сохранения пропускной способности необходимо устройство диафрагмы, оставляющей свободным 53% и 59% поперечного выходного сечения трубы.
Диффузоры с более высокими коэффициентами сопротивления (диффузоры, предложенные И. С. Хусни) обеспечивают значения KQ не ниже 0,800,88 и увеличивают расход водовыпуска в 1,141,25 раз. Для сохранения пропускной способности также потребуется устройство диафрагм, оставляющих свободными 67% и 81% выходного сечения трубы.
Для выбора наиболее подходящего диффузора и определения размера диафрагм с учетом глубин воды в створе перегораживающего сооружения в среде программирования Delphi создано приложение, автоматизирующее расчеты.
Заглубление сжатого сечения при реконструкции крайне нецелесообразно. Для труб квадратного и круглого поперечного сечения получены семейства кривых, позволяющие определить относительное подтопление выходного участка трубы в створе управляющего отверстия регулятора 8 . Для расчетов создан файл-шаблон, кривые перестраиваются после ввода относительного напора на водовы-пуск zmin/Z тр. и относительного заглубления выходного сечения под уровень воды в канале Ыктр. При выборе вариантов предпочтение отдается тем, у которых 8 имеет минимально возможное положительное значение. Варианты с 8 0 лучше не рассматривать, в этом случае 8 определяет глубину, на которую следует заглубить сжатое сечение. При напорах на водовыпуск, меньших, чем диаметр труб, практически все рассмотренные регуляторы не требуют заглубления сжатого сечения. Регуляторы, получаемые с помощью диффузоров с высокими степенями расширения, имеют меньшее подтопление управляющего отверстия.
Численно и в зеркальном гидравлическом лотке была исследована работа регуляторов, имеющих на концевом участке короткий диффузор со степенью расширения щ=4: с разделительными стенками, дефлекторами, дефлекторам и диафрагмой, сечение которой было подобрано из условий сохранения пропускной способности исходной трубы квадратного сечения.
Численно и методом фото фиксации течения определены границы раздела потоков за управляющим отверстием регуляторов, получены эмпирические коэффициенты в уравнении коэффициента сжатия транзитного потока управляющим є.
Оценена динамика коэффициента Кориолиса в камере слияния регуляторов. Доказано, что определенные с доверительной вероятностью 95% средние значения а для транзитного и управляющего потоков статистически достоверно отличаются.
Для предлагаемых регуляторов получены значения разности коэффициентов Кориолиса транзитного и управляющего потоков Да, входящие в основные уравнения гидродинамического регулирования.
Получены экспериментальные значения относительного коэффициента расхода , показавшие хорошее совпадение с теоретическими зависимостями. Максимальное снижение пропускной способности при регулировании оказалось на 1635% ниже, чем у существующих конструкций. Для регуляторов с диафрагмой характерно увеличение предельного отношения сливающихся расходов mпред. до 0,8 и более пологая форма кривой =f(m), что не противоречит классическому уравнению .
Предел регулирования по напорам АЯрег. тесно связан с параметрами канала, на котором установлен регулятор. На примере канала с характерной кривой связи h=(Q) рассмотрена методика привязки регулятора с дефлекторами и диафрагмой, обеспечивающей сохранение пропускной способности исходного водовыпуска. Показано, что приближенная формула дает погрешность в определении диапазона регулирования по напорам, так как его величина составляет порядка 30% от напора на сооружение при максимальном водопотреблении.
Одним из преимуществ устройства диафрагмы является возможность работы регуляторов в приемлемом диапазоне роста УНБ без полного затопления камеры слияния. Получена кривая связи относительного предела регулирования по напору позволяющая определить длину водосливного фронта на крышке диффузора Ъвод. и минимальный расход, пропускаемый регулятором.
Для рассматриваемого канала выполнена привязка двух плоских диффузоров со степенями расширения щ=4 и щ=1,5 при отсутствии ограничений, накладываемых на пропускную способность будущих регуляторов. Показано, что использование плоских диффузоров с низкой степенью расширения нецелесообразно.
Для возможности использования в системах каскадного регулирования расхода необходимо знать статические характеристики предлагаемых регуляторов. На основании построенных математических моделей суммарного расхода полу 158
чены предельные значения частных производных по напору и относительному управляющему расходу. Регуляторы с усовершенствованной проточной частью то есть эффективнее используют динамику напора на сооружение при регулировании расхода. Для них характерно плавное снижение пропускной способности и