Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. Технологическая сущность управления водо -распределением в оросительных системах 9
1.2. Расчеты неустановившегося движения в открытых руслах 14
1.3. Некоторые частные математические модели не -установившегося движения воды через сооружения 22
1.4. Цель и задачи исследования 35
ГЛАВА 2. УРАВНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СОПРЯЖЕНИЯ БЬЕФОВ
ПРИ НЕУСТАНОВИВШЕМСЯ ДВИЖЕНИИ ВОДЫ
2.1. Нестационарный поток в призматическом прямо -угольном русле 38
2.2. Нестационарный поток в плавно расширяющемся прямоугольном русле 47
2.3. Нестационарный поток в призматическом трапецеидальном русле 55
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕПАДА ВОССТАНОВЛЕНИЯ
НА ОЦЕНКУ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНПСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПЛОЩАДЬЮ ИСТЕЧЕНИЯ 68
3.1. Постановка задач исследования 68
3.2. Анализ влияния перепада восстановления на во-доподачу в условиях ее регулирования 77
3.3. Оценка пропускной способности сооружений при различных режимах истечения 82
3.4. Исследование перепада восстановления с помощью безразмерных параметров 96
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ
В ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛАХ 100
4.1. Модель нестационарного потока в зоне перегораживающих сооружений 100
4.2. Модификация модели неустановившегося движения во взаимосвязных участках канала и ее конечно-разностный аналог 105
4.3. Алгоритм расчета гидравлических характеристик нестационарного потока в зоне сооружений 115
ГЛАВА 5. РЕШЕНИЕ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ 119
5.1. Задачи гидравлических расчетов при проверке условий работы автоматизированных каналов 119
5.2. Анализ влияния параметров регулирования на качество переходных процессов 122
5.3. Исследование условий движения воды в бьефах канала 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
ЛИТЕРАТУРА 135
- Технологическая сущность управления водо -распределением в оросительных системах
- Нестационарный поток в призматическом прямо -угольном русле
- Анализ влияния перепада восстановления на во-доподачу в условиях ее регулирования
- Модель нестационарного потока в зоне перегораживающих сооружений
- Задачи гидравлических расчетов при проверке условий работы автоматизированных каналов
Введение к работе
Настоящая работа посвящена исследованию нестационарных потоков в зоне гидротехнических сооружений на оросительных каналах и усовершенствованию математической модели неустановившегося движения воды в оросительных каналах, которая используется для решения задач гидравлики, связанных с проектированием, внедрением и эксплуатацией АСУ технологическими процессами водозабора и водораопределения на магистральных оросительных каналах.
Актуальность работы определяется широким внедрением автоматизации гидромелиоративных систем, которая является одним из важнейших факторов, обеспечивающих экономное и комплексное использование водных ресурсов. Внедрение автоматизации связано с решением задач, поставленных в Продовольственной программе, утвержденной на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС, где указывается на необходимость "... усилить исследования по рациональному использованию водных ресурсов...", а также предусмотрено "...создание экономичных и надежных в эксплуатации оросительных систем с механизированным и автоматизированным водораспре-делением" 46 . Данная работа выполнена согласно заданию 03. отраслевой проблемы 0,04 Минводхоза СССР (^ Гос. регистрации 0181.8011889).
При создании АСУ технологическими процессами водозабора и водораспределения на оросительных каналах в стадии проектирования возникает необходимость в анализе функционирования замкнутой системы управления, включающей в себя технологические процессы управления транспортировкой воды на участках канала, а также алгоритмы управления водозаборными^и перегораживающими сооружениями. В связи с трудностью, а иногда и невозможностью проверки работоспособности проектируемой системы на
5 натурном объекте, целесообразно проводить её анализ на математической модели, реализуемой на ЭВМ и отражающей физические процессы движения воды в канале, основой которых является неустановившееся движение.
Современное состояние вопроса математического моделирования нестационарных потоков в кадаалах с автоматическим регулированием подачи воды изложено в работах Большакова В.А., Еременко Е.В., Клещевниковой Т.П., Коваленко П.И., Немцовой А.А.,
Осипиной Л.М., Маковского Э.Э., Синелыцикова B.C., Stielftofrf Т. Япирг-ocfi-o J.
Существующие математические модели, основанные на использовании дифференциальных уравнений Сен-Венана, полностью описывают неустановившееся движение воды в бьефах канала, однако они не отражают нестационарный характер и пространственные условия протекания воды в зоне гидротехнических сооружений. В работах Леви И.й. /40,41/, Слисского С.М./56.57/, Скребкова Г.П. /54/, Смыслова В.В. /58-60/ и др., посвященных исследованию стационарных потоков, отмечено, что условий протекания воды в зоне сооружений и, в частности, перепад восстановления влияют на оценку их пропускной способности. Очевидно, при неустановившемся движении воды (наиболее общем и сложном виде движения) пропускная способность сооружений также зависит от указанных условий, но этот вопрос до настоящего времени не изучен. В литературе имеются зависимости, связывающие параметры стационарных потоков в зоне сопряжения бьефов и позволяющие учитывать при гидравлических расчетах перепад восстановления. Подобная зависимость, но для нестационарных потоков, соответствующая условиям плоской задачи, представлена в работе Еременко Е.В. /26/. Однако, для условий сопряжений, которые наиболее часто реализуются на оросительных каналах, до настоящего времени не предложены зависимости, позволяющие учесть при расчетах нестационар- ных потоков перепад восстановления. Целесообразность исследования условий протекания воды в зоне сооружений обусловлена также и тем, что расчеты существующих моделей широко используемыми конечно-разностными методами предполагают взаимосвязь между параметрами потока по всей длине канала. Таким образом, от правильности и точности определения параметров потока в зоне сооружений зависит правильность и точность всего расчёта неустановившегося движения воды в канале. Это указывает на необходимость полного описания в используемых для расчётов математических моделях реальных процессов, связанных с неустановившимся движением воды как в бьефах канала, так и в зонах гидротехнических сооружений.
Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является установление зависимостей, связывающих параметры нестационарного потока при сопряжении бьефов, и исследование на их основе влияния условий протекания потока на оценку пропускной способности сооружений и, кроме этого, путем учёта неустановившегося движения в зоне сооружений усовершенствование существующих математических моделей нестационарных потоков в автоматизированных оросительных каналах.
Новым в работе является: - зависимости, связывающие параметры нестационарного по тока в призматическом и плавно расширяющемся прямоугольном русле и в призматическом трапецеидальном русле; -Анализ влияния условий протекания нестационарных потоков в зоне сооружений на оценку их пропускной способности; математические описания сопряжения потоков в зоне сооружений с учётом пространственных условий и неустановившегося движения воды в прямоугольных и трапецеидальных руслах; математическая модель неустановившегося движения воды, протекающей через сооружения и в примыкающих к ним бьефах ка-
7 нала; усовершенствованная модель нестационарных потоков в автоматизированных оросительных каналах, отражающая нестационарный характер и пространственные условия движения воды в зоне сооружений; конечно-разностный аналог усовершенствованной модели, основанный на применении явно-неявного метода расчёта и учитывающий особенности реализации различных способов регулирования водоподачи.
Практическая ценность работы определяется использованием усовершенствованной модели неустановившегося движения воды в оросительных каналах. Предлагаемая модель учитывает нестационарный характер протекания воды в зоне сооружений и пространственные условия сопряжения бьефов. Использование модели при решении гидравлических задач, связанных с разработкой, внедрением и эксплуатацией АСУ технологическими процессами водозабора и водораопределения в оросительных системах, позволяет более точно отразить реальные процессы. Реализация работы осуществлена внедрением результатов исследований при разработке мероприятий по улучшению водоучёта в условиях неустановившегося движения на каналах Красноперекопской оросительной системы и анализе работш регуляторов на Каховской оросительной системе с целью повышения качества водораопределения.
Апробация работы прошла на 86 республиканском семинаре по гидравлике открытых русел и сооружений (Киев, 1983), на ХХХУП, ХХХУШ, XXXIX, XL , научных конференциях профессорско-преподавательского состава КАДИ (Киев, 1980-1983 г.г.), ХШ научной конференции профессорско-преподавательского состава СФ ДИСИ (Симферополь, 1983 г.).
По результатам выполненных научных исследований опубликовано 4 печатных работы.
8 Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. В первой главе отражено современное состояние вопроса: рассматривается сущность управления водораопределением в оросительных каналах, проводится анализ методов расчёта нестационарных потоков в открытых руслах и некоторых частных математических моделей неустановившегося движения воды через гидравлические сооружения. Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям нестационарных потоков в зоне сопряжения бьефов. В третьей главе представлены результаты исследования влияния перепада восстановления и условий протекания воды в зоне сооружений на оценку их пропускной способности. Четвертая глава посвящена разработке модификации математической модели нестационарных потоков в автоматизированных оросительных каналах с учётом неустановившегося движения воды в зоне сооружений, В пятой главе приведены решения некоторых прикладных задач, связанных с гидравлическими расчётами переходных процессов при регулировании водоподачи в оросительных каналах.
Технологическая сущность управления водо -распределением в оросительных системах
В настоящее время в нашей стране и за рубежом большое внимание уделяется, реконструкции существующих и строительству новых технически совершенных оросительных систем, в которых подача воды в магистральных каналах автоматизирована. Целью автоматизации водораспределения являются: обеспечение максимально возможного соответствия между забором воды в оросительную систему и её потреблением; сведение к минимуму непроизводительных сбросов воды; обеспечение в бьефах каналов течений, способствую щих нормальной эксплуатации каналов; повышение производительности труда персонала эксплуатации. регулирование по верхнему бьефу; регулирование непосредственно отбором расходов; каскадное регулирование. При реализации первых двух способов осуществляется нормированное водораопределение сверху вниз (от главного водозабора к потребителям). Эти способы характеризуются отсутствием обратной гидравлической связи между бьефами, а также невозможностью создания необходимых объёмов регулирования на участках канала, в связи с чем неизбежны технологические непроизводительные сбросы воды при уменьшении водопотребления.
Подобных недостатков лишён способ каскадного регулирования, для реализации которого используют следующие технологические схемы водораспределения: регулирование по нижнему бьефу; смешанное регулирование; регулирование поддержанием постоянных перепадов на сооружениях (регулирование постоянными перепадами); регулирование с перетекающими объёмами.
Регулирование по нижнему бьефу (рис.1,1а) обеспечивает подачу в створы водоотбора расходов воды в соответствии с запросами водопотребителей посредством автоматической стабилизации уровней воды в нижних бьефах перегораживающих сооружений.
Смешанное регулирование (рис.1.1 б) подобно регулированию по нижнему бьефу, однако при использовании этой схемы дополнительно вводится автоматическое ограничение максимальных и минимальных уровней в верхних бьефах перегораживающих сооружений.
Регулирование поддержанием постоянных перепадов (рис.І.Ів) основано на постоянстве перепадов уровней воды верхнего и нижнего: бьефов перегораживающих сооружений и включает в себя условие регулирования водоподачи по верхнему и нижнему бьефам.
class2 УРАВНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СОПРЯЖЕНИЯ БЬЕФОВ
ПРИ НЕУСТАНОВИВШЕМСЯ ДВИЖЕНИИ ВОДЫ class2
Нестационарный поток в призматическом прямо -угольном русле
Неустановившееся движение воды в зоне сопряжения бьефов при математическом моделировании явления должно быть описано соответствуют зависимостью, связывающей параметры потока. Для условий плоской задачи такая зависимость имеет вид (1.22). Однако в натурных условиях часто реализуется пространственное сопряжение бьефов - внезапное либо плавное расширение потока за сооружением. Очевидно, что в этих случаях при моделировании должны использоваться зависимости, отражающие пространственное -сопряжение. Для их вывода, учитывая рекомендации работы/60/, воспользуемся теоремой об изменении количества движения.
Рассмотрим отсек нестационарного потока в зоне сопряжения бьефов при несвободном истечении из-под затвора в прямоугольном призматическом русле при условии, что существование затопленного прыжка ликвидирует бурное сбойное течение (рис. .1 2.1).
Схему протекания примем симметричной относительно плос-костилс). Длина отсека с. равна длине затопленного пръшка; высота отсека, т.е. глубина потока в створе сооружения, равна /Z/ , а за прыжком - /2 .
При выводе уравнения, связывающего гидравлические характеристики потока в зоне сопряжения оьефов, применим теupему об изменении количества движения к элементарному отсеку.
class3 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕПАДА ВОССТАНОВЛЕНИЯ
НА ОЦЕНКУ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНПСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПЛОЩАДЬЮ ИСТЕЧЕНИЯ class3
Анализ влияния перепада восстановления на во-доподачу в условиях ее регулирования
На математической модели было проведено три серии численных расчетов. В первой серии вычислялись гидрографы водоподачи через ПС-І при различном потреблении воды в канале. Анализ полученных результатов свидетельствует, что гидрографы, вычисленные с учетом перепада восстановления, обеспечивают пропуск большего количества воды. Причём расхождение между гидрографами, подсчитанными с учётом и без учета перепада восстановления, наиболее существенно в первом периоде переходного процесса.
Для примера на рис.3.6 представлены графики водоподачи через ПС-І. Они построены на основании результатов переходного процесса в канале при начальных горизонтах воды на участках между ГС и ПС-І II, 12 м, между ПС-І и ПС-2 10,60 м, которые соответствуют проектным отметкам, и мгновенном включении на ПС-2 постоянного расхода, равного 14 м3/с, что составляет 50 % расчетного водопотребления. В данном расчетном случае в первом периоде переходного процесса максимальное расхождение между расходами составило 16,8 %, а во втором периоде - 7,9 %,
Расхождение между гидрографами обусловлено перепадом восстановления, причём его влияние на рассчитываемую величину водоподачи существенно проявляется во время пропуска через сооружение наибольших расходов воды.
Модель нестационарного потока в зоне перегораживающих сооружений
Ранее исследователи при разработке математических моделей нестационарных потоков в каналах для описания неустановившегося движения через перегораживающие сооружения рассматривали протекание воды в двух граничных створах, которые расположены в верхнем и нижнем бьефах сооружений. Гидравлические характеристики между этими створами связывались условиями сопряжения (I.I5). И,в целом, в математических моделях неустановившееся движение воды через сооружения описывалось представленной выше системой уравнения (3.4), которая однако не в ПОЛНОЙ мере характеризовала протекание воды чере» сооружения. В частности, в в связи с тем, что в нижнем бьефе граничный створ расположен за водоворотной зоной, обусловленной стеснением потока сооружением,в этой системе уравнений не отражен перепад восстановления, который, как показали проведенные исследования, влияет на расчетную величину пропускной способности сооружений.
Очевидно, чтобы учесть перепад восстановления при моделировании неустановившегося движения воды через перегораживающие сооружения необходимо включить в рассмотрение дополнительно еще один контрольный створ, расположенный в нижнем бьефе непосредственно за сооружением. Таким образом, гидравлические характеристики потока у перегораживающих сооружений следует рассматривать в трёх контрольных створах. Два из них - граничные, они расположены в зонах плавно изменяющегося движения в верхнем и нижнем бьефах сооружения, и один - дополнительный контрольный створ - непосредственно за сооружением (рис.4Л).
Задачи гидравлических расчетов при проверке условий работы автоматизированных каналов
При разработке АСУ технологическими процессами водопода-чи и водораопределения исследование функционирования систем управления целесообразно проводить на математических моделях, достоверно отражающих физические процессы, протекающие в бьефах канала, и алгоритмы управления работой гидротехнических сооружений. Для решения целого ряда задач, возникающих при проектировании и эксплуатации магистральных оросительных каналов с автоматическим регулированием подачи воды, может быть исполвзована математическая модель, представленная в главе 4 настоящей работы. Численные расчёты этой модели, проведенные с использованием алгоритма, изложенного в работах /31,36/, для определения гидравлических характеристик потока в бьефах канала и алгоритма, представленного в главе 4, для расчёта регулируемых параметров в зоне гидротехнических сооружений, позволяют получить данные, анализ которых даёт возможность установить способность автоматизированной системы обеспечить нормальные условия эксплуатации канала; выбрать режимы работы автоматических устройств, определяющие оптимальные условия протекания переходных процессов на участках канала, и решить ряд других вопросов, связанных с требованиями, предъявляемыми к работе автоматизированных оросительных систем.
