Введение к работе
Актуальность работы. В каналах и реках неустановившееся движение води в виде длинных волн образуется при быстром изменении расхода (или уровня) воды в начальном или конечном створе. В зависимости от скорости изменения расхода (режима работы ГЭС или насосной станции, открытия или закрытия затвора), а также расстояния от створа волна может бить прерывной или гладкой. Динные прерывные волны повышенной интенсивности могут возникать при экстремальных ситуациях: разрушение плотин или других водоперегоражива-ющих сооружений в реках и каналах; пуск или остановка агрегатов насосных станций; полное преграждение бурного потока в деривационных каналах при полном сбросе нагрузки ГЭС.
В нижних бьефах гидротехнических сооружений (в водобойных сооружениях) сопряжение потоков обычно происходит посредством стационарного гидравлического прыжка (стоячей прерывной волны), который является эффективным средством для гашения излишней энергии потока, находящегося в сверкритическом состоянии.-
Для обеспечения компактности, экономичности и безаварийной эксплуатации гидротехнических сооружений (деривационных и оросительных каналов, водонапорных и оградительных сооружений, водобойных сооружений и т.д.) при их проектировании требуется всестороннее изучение неустановившегося волнового движения открытых потоков. Динамическое воздействие волновых процессов на гидротехнические сооружения зависит от вида возникающих волн. Нагрузки на сооружения определяются параметрами волнового потока: высотой волны, скоростью частиц воды на фронте и в теле волны.
В настоящее время для описания неустановившегося волнового движения в открытых параболических (трапецеидальных, треугольных, прямоугольных и т.д.) каналах применяется одномерная теория длинных волн, основанная на предположении медленно изменяющегося движения жидкости (т.е. принимается гидростатическое распределение давления в живых сечениях, а продольные скорости осредняются по поперечному сечению потока). Таким образом, в одномерной постановке получаются зависимости для определения параметров волн в призматических каналах с различными формами поперечных сечений. Практический интерес представляют трапецеидальная форма поперечного сечения канала и, в частности, треугольная форма как предельный случай для параболических русел (т - 2).
Однако, как показывают экспериментальные исследования, при распространении прерывно',' волны в непрямоугольных (трапецендапь-
них, треугольных)каналах проявляется значительный двумерный (плановый) эффект, который приводит к расхождению экспериментальных результатов от расчетных по одномерной теории.
В диссертащонной работе экспериментально и численно исследованы особенности распространения прерывных (нисходящих и восходящих) волн в треугольных и трапецеидальных каналах. Тема является актуальной в связи с недостаточной изученностью неустановившегося волнового движения в непряиоуголышх каналах.
Поскольку прерывная волна является движущимся гидравлическим прьяс-ком, то нами экспериментально изучался также стационарный гидравлический прыжок в треугольных каналах.
Исследование неустановившегося волнового движения воды соответч ствует плані' научно-исследовательских работ, выполняемых кафедрой гидравлики ШСИ им. В.В.Куйбышева (задача включена в проблему ГКНГ СССР 0.85.06 задание 03.02).
Цель работы состояла в ошнке влияния формы поперечного сечения канала на параметры длинных прерывных (нисходящих или восходящих) волн (высота волны, скорости частип на фронте и в теле волны) и в выявлении физической картины распространения двумерных прерывных волн как на фронте, так и в теле волны.
Для реализации поставленной шли в работе решены следующие задачи:
проанализированы аналитические зависимости для определения параметров длинных волн, полученные по одномерной теории на основании одномерных уравнений Сен-Венана для обобщенных параболических русел;
проведены экспериментальные исследования по изучению прерывных волн при распаде произвольного разрыва и отражения прерывной волны от вертикальной стенки в треугольном и трапеиеидальном лотках;
проведены экспериментальные исследования восходящих прерывных волн при полном и мгновенном преграждении бурного потока вертикальной перегородкой в треугольном лотке;
проведены экспериментальные исследования сташонарного гидравлического прыжка в треугольных лотках;
:.'са;проведен численный расчет распространения прерывных волн при распаде произвольного разрыва в треугольных и трапешидальных руслах, использовалась конечно-разностная апроксимація двумерных уравнений Сен-Венана.
Натчная новизна:
I. Получены экспериментальные и численные результаты исследований прерывных (нисходящих и восходящих') волн в треугольном и тра-пешидальном лотках, отличанцихся от расчетных по одномерной теории.
8. Получены экспериментальные результаты для сташонарного гид-
равлического прыжка (стоячей прерывной волны) в треугольных лотках, подтверждаюцие результаты, полученные для прерывной волны.
-
Выявлена физическая картина распространения двумерной (плановой) прерывной волны как на фронте, так и в теле волны.
-
Методом наименьших квадратов получены эмпирические зависимости для определения параметров прерывных волн в треугольных каналах.
-
Установлено, что угол заложения откоса наклонных стенок в треугольном канале не влияет на параметры прерывных волн.
-
Экспериментально получены параметры, область существования и критерии разрушения ондуляционной волны и формирования бора в треугольном и трапецзидальном каналах.
-
Установлена зависимость параметров ондулядоонных волн от угла заложения откоса в треугольном канале.
Практическая шнность работы. Полученные результаты позволяют определять параметры прерывных (нисходящих или восходящих,) волн (движущегося гидравлического прыжка) в непрямоугольных каналах, оценить влияние формы поперечного сечения канала, а также, угла заложения откоса на параметры прерывных волн.
Достоверность результатов. Представленные результаты основаны на экспериментальных и численных исследований в непрямоугольных (треугольных, трапецеидальных.) руслах. Оиибки измерений параметров прерывных волн не превышают 5%. При численном расчете проводилось тестирование задачи для прямоугольных русел, результаты которого хорошо согласуются с известными теоретическими результатами, рассчитанными по одномерной теории длинных волн, а также сопоставление результатов: численного расчета параметров волн с экспериментальными результатами других авторов.
Апробашя работы. Основные результаты» полученные в работе, докладывались на Третьей Всесоюзной Конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989г.).
Публикации. По теме диссерташи опубликовано две работы.
Структура и объем работы. Диссертаци состоит из введения, четырех тлав, заключения и списка литературы (87 наименований). Работа изложена на 165 страницах, включапцих 105 страниц машинописного текста, 51 страницы иллюстративного материала и 9 страниц с библиографией.
