Анализ распределения скоростей при различных конструкциях регуляторов расхода воды Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Анализ распределения скоростей

при различных конструкциях регуляторов расхода воды

о см о см

сч

Бенин Дмитрий Михайлович

кандидат технический наук, доцент, доцент кафедры информационных технологий в АПК, ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, [email protected]

В данной статье рассмотрено распределение скоростей в выходных сечениях диффузоров различных конструкций, установленных в качестве низового участка на гидростабилизаторах расхода воды. Данные конструкции могут быть частью водовыпускных сооружений, устанавливаться на оросительных каналах гидромелиоративных систем. Анализ проводится на основе экспериментальных данных различных авторов, проводимых в лабораторных условиях. В качестве сравнения изучаются эпюры скоростей плоских прямоугольных диффузоров: с различными степенями расширения (п=1,5, п=2,25, п=4), с различными углами расширения в плане (120, 300); с разделительными стенками и дефлекторами. В статье даются практические рекомендации по выполнению оптимальной конструкции диффузора, при которой можно добиться равномерного распределения скоростей на выходе, а также сократить значение коэффициента сопротивления диффузора, тем самым увеличив пропускную способность сооружения в целом. Ключевые слова: гидростабилизатор расхода воды, распределение скоростей, диффузор, водовыпускные сооружения, коэффициент сопротивления диффузора, оросительная система.

Бережное использование водных ресурсов - является важнейшей государственной задачей Федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах». Для выполнения этой задачи на государственном уровне следует провести мониторинг всех существующих мелиоративных систем на предмет их физического и материального износа с целью последующей их реконструкции, где это возможно, а также строительства новых современных систем с автоматическим водорас-пределением.

Работа автоматических гидрорегуляторов расхода воды основана на правильном распределении потоков воды внутри сооружения, создании его оптимальной конструкции, при которой работа этих сооружений будет возможна на больших диапазонах уровней бьефов - от 0,2 до 5,0 м.

Конструктивная схема гидростабилизатора расхода воды представлена на рисунке 1.

Рис.1. Конструктивная схема стабилизатора расхода по верхнему бьефу: 1 - входной участок; 2 - транзитный участок; 3 - управляющая башня; 4 - водослив; 5 - конечный участок в виде диффузора.

О Ш

т х

<

т о х

X

При выборе конструкции водовыпуска следует руководствоваться основным правилом - это максимальная простота исполнения сооружения с привязкой к реальной местности и реальным условиям, минимальные сопротивления сооружения при максимально возможной его пропускной способности, которую можно определить по формуле:

вт

■ = мч

АН 1 _ _ рег

Н „

Мр =

Мо

где ' 0 - относительный коэффициент

расхода регулятора при минимальном транзитном расходе, соответствующем значению сливающихся расходов т при выравнивании уровня воды в камере слияния и нижнем бьефе;

- Но - первоначальный напор на сооружение;

- АНрег - слой воды, переливающийся через водослив [1].

Очевидно, что /и'пр служит тем параметром, уменьшение значения которого может привести к увеличению регулирующей способности гидростабилизатора. Максимальное снижение относительного коэффициента расхода можно добиться при встречных углах подвода управляющего потока ф>90°), а также при низких значениях коэффициента сопротивления диффузора на выходе потока в нижний бьеф (&.) и высоких степенях расширения диффузора. Доказано, что основным влияющим фактором является степень расширения диффузора, чем выше ее значение, тем выше регулирующая способность сооружения, влияние угла подачи управляющего потока при одинаковых площадях бокового подвода не превышает 10% [1].

Главная проблема с выбором конструкции выходного участка - это расчет параметров элементов диффузора с высокой степенью расширения и низким коэффициентом сопротивления. Оптимальные углы горизонтального и вертикального расширения для прямоугольных диффузоров составляют Уопт =(6-10)° и «опт =(3-7)°, именно они позволяют протекать потоку воды без отрыва, обеспечивая при этом невысокие значения коэффициентов сопротивления. Диффузоры с оптимальными углами при больших значениях степеней расширения являются конструктивно излишне длинными и сложными в монтаже, что затрудняет их установку на реальном объекте [2].

Кроме того, расширение достаточно длинного диффузора в вертикальной плоскости позволит серьезно сократить значение АНрег, так как выходная кромка водо-выпуска должна быть размещена ниже минимального уровня нижнего бьефа как минимум на 2..3 скоростных напора. При этих условиях понадобится заглубление сжатого сечения ниже отметки дна канала, что отрицательно влияет как на объемы земляных работ, так и на фильтрационную прочность сооружения, а на некоторых конструкциях это практически просто невозможно выполнить.

Изучением скоростей в концевых участках водовы-пуска, выполненных в виде диффузоров, занимался Ху-сни Санал Ибрагим в своей кандидатской диссертации [3]. Эксперимент проводился при двух различных формах концевого участка: прямоугольного с расширением в горизонтальной плоскости под углом 60 и с расширением в вертикальной плоскости под углом 50, степень расширения диффузора п=2,25; плоского с расширением в горизонтальной плоскости 60 и степенью расширения п=1,5. Профиль вертикального распределения предельных скоростей на выходном сечении диффузоров, экспериментально полученный Хусни С.И., а также конструкция диффузора показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Распределение скоростей в створе выходного сечения прямоугольного диффузора по опытам Хусни С.Б.

Анализ опытных данных показал, что эпюра скоростей в выходном сечении диффузора менее равномерна, чем в начальном участке, но при этом ядро начальных скоростей еще сохраняется. Скорость потока в пристенном слое меньше, чем в других областях сечения. Это характерно для верхней стенки прямоугольного диффузора, когда падают скорости почти до нуля и при больших углах расширения происходит отрыв потока.

Использование плоских коротких диффузоров с высокими степенями расширения было предложено в гидродинамических стабилизаторах расхода ранее в статье автора [4].

При увеличении степени расширения площади диффузора на выходе П1 для сокращения длины последнего возможно возникновение отрывного течения в его пределах. Уменьшить сопротивление и предотвратить вих-реобразование было предложено устройством разделительных стенок. При угле расширения 300 должно быть 2 стенки, а при 45°...60° - 4.

Эффективность разделительных стенок тем значительнее, чем больше общий угол расширения диффузора.

Для выяснения картины распределения скоростей в выходном сечении плоского прямоугольного диффузора с двумя разделительными стеками (у=30°, П1=4) при выходе потока в нижний бьеф были выполнены измерения скоростей по створам каждого из сечений (рис.3). В качестве расчетного значения Коэффициента Кориолиса а было принято среднее арифметическое по вычисленным для каждого отсека значениям равное а=1.18.

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м о

о

CS

0

CS

CS

01

о ш m

X

<

m о x

X

-

0,06 1

■Otes

/ у

/

—о.ог

0,01

о ' 5 ) 0 5 1 i \ *>

размывах русла. Скорости в пределах боковых отсеков также оказались ниже скоростей в центральном отсеке. При стабилизации по верхнему бьефу, когда управляющий расход сопоставим по величине с расходом транзитного потока, это не оказывает существенного влияния на транспортирующую способность потока и заиление выходного участка. При использовании диффузоров с разделительными стенками в гидродинамических регуляторах по нижнему бьефу, при малых управляющих расходах возможно заиление боковых отсеков, так как соотношение сливающихся расходов намного ниже [6].

Таким образом, одним из важнейших гидравлических параметров эффективной работы регулятора расхода, расположенного в канале, является распределение скоростей в выходном сечении. Смещение ядра потока вниз вызывает интенсивный размыв дна, смещение ядра потока в плане приводит к интенсивному размыву грунта стенок канала.

Одно из конструктивных решений гашения энергии потока в нижнем бьефе было предложено Гайсиным А.А. в своей работе [7]. Автор предложил в концевом участке регулятора установку короткого диффузора с высокими степенями расширения, на стенках которого смонтирован ряд дефлекторов.

Профили скоростей в выходном сечении диффузора с 2-мя парами дефлекторов (рис.4а) и профили безразмерных скоростей за диффузором с 3-мя парами дефлекторов (рис.4 б) показано на рисунке 4.

V, ufe

° 0.5d от uixcga 1С диффузор!. прлЕ« címíние

—° ' 0.5d от кыхсса нз диффузора, цевдэагсьно? сет^нн?

—: — 0.5d отвиясда ki диффузора npuoe

-Э-«Ы7М Щ ttlltÍP,';.>t!j U3KTdr»HOí CÍ4-WHÍ

Рис.3. Распределение скоростей в створе выходного сечения диффузора с двумя разделительными стенками по опытам Бенина Д.М.

Равномерного распределения скоростей в данном случае достигнуть не удалось, скорости за центральным отсеком были выше скоростей за боковыми отсеками в 2-3 раза (это объясняется практически соосным входом ядра потока транзитного трубопровода в центральную часть диффузора), но ядро скоростей, в отличие от диффузоров предыдущих конструкций, смещено ближе к центральной части потока по высоте. Скорости в пределах боковых отсеков также оказались ниже скоростей в центральном отсеке [5].

В центральном отсеке диффузора с разделительными стенками скорости до трех раз превышают скорости в левом и правом отсеках,

Именно в силу указанных причин в существующих конструкциях гидродинамических регуляторов не использовались степени расширения выходного участка

И

выше 2-х, а максимальное снижение пр было достигнуто только в случае использования диффузора, расширяющегося в трех плоскостях.

Основным фактором, с помощью которого снижалась пропускная способность, являлся угол подвода потока управления, а его влияние по сравнению с формой исполнения диффузора, крайне незначительно.

При отсутствии крепления дна канала за водовыпус-ком высокие скорости могут негативно сказываться на

и ti' ij'i. "'Ч.

а)

б)

Рисунок 4 - Конструкция и профили скоростей на выходе потока из диффузора различных конструкций по опытам Гай-сина А.А.

Проанализировав эпюры профилей скоростей на выходе потока из диффузоров в варианте на рис.За уста-

новки направляющих лопаток было замечено, что у течения воды наблюдается перебойность и размещение дефлекторов не позволяет выровнять скорости воды на выходе. При размещении диффузора в конце гидростабилизатора происходит перемещение центра скоростей, что приводит к появлению размывов около боковых стенок отводящего канала. В условиях работы диффузора в сети местные потери ниже участка расширения не будут равны расчетным потерям из-за искажения скоростного поля.

В варианте на рис.4б размещения дефлекторов внутри диффузора эпюры скоростей на выходе из диффузора говорят о равномерном распределении потока с небольшим отклонением по оси потока, что позволяет избежать размывы по дну канала.

Модель показала, что предложенный Гайсиным А.А. вариант расстановки дефлекторов позволил получить на выходе из короткого диффузора с высокой степенью расширения равномерное распределение скоростей, сопоставимое с плавно расширяющимся диффузором.

Данная конструкция позволила значительно уменьшить коэффициент сопротивления при выходе потока в нижний бьеф, но не смогла решить другую важнейшую гидравлическую задачу - снижение коэффициента сопротивления диффузора в сети [8].

Таким образом, основная гидравлическая задача по совершенствованию конструкции гидростабилизаторов расхода воды с целью увеличения расхода и снижению коэффициента сопротивления диффузора в сети, а также привязка сооружения на местности с минимальными размывающими дно скоростями, в настоящий момент до конца не решена и требует продолжения проведения экспериментальных исследований.

Литература

1. Снежко, В.Л. Гидродинамическое регулирование расхода низконапорных водопропускных гидротехнических сооружений, диссертация на соискание ученой степени доктора техн. наук / Московский государственный университет природообустройства, Москва, 2012, 345 с.

2. Снежко В.Л., Гайсин А.А., Бенин Д.М. Ресурсосберегающие водопропускные сооружения для оросительных каналов, Природообустройство. 2016. № 5. С. 26-31.

3. Хусни, С. И. Совершенствование конструкций регулирующих сооружений на оросительных каналах с применением гидродинамического саморегулирования [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.16 / Хусни Санал Ибрагим. - М., 1993. - 199 с.

4. Бенин Д.М. Гидравлическое обоснование параметров проточных частей стабилизаторов расхода трубчатых водопропускных сооружений, диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук / Московский государственный университет природообустройства. Москва, 2011, 175 с.

5. Бенин Д.М., Снежко В.Л. Средства автоматизации водопропускных мелиоративных сооружений, монография, Москва, ООО «ДПК Пресс», 2018, 108 с.

6. Снежко В.Л. К вопросу автоматизации напорных водовыпускных сооружений малых гидроузлов, Перспективы науки. 2010. № 10 (12). С. 54-58.

7. Гайсин А.А. Гидравлическое обоснование параметров проточных частей регуляторов расхода для реконструируемых трубчатых водопропускных сооружений, диссертация на соискание ученой степени канд. техн. Наук, ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, М., 2015, 191с.

8. Бенин Д.М., Снежко В.Л. Увеличение диапазона работы гидродинамических водовыпусков-стабилизато-ров расхода, Природообустройство. 2011. № 2. С. 85-87.

Speed distribution analysis for various designs of water flow

controllers Benin D.M.

Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy

named after K.A. Timiryazev This article discusses the distribution of velocities in the outlet sections of diffusers of various designs, installed as a lower section on the water flow stabilizers. These structures can be part of water outlets, installed on irrigation canals of irrigation and drainage systems. The analysis is based on experimental data of various authors conducted in laboratory conditions. As a comparison, the velocity diagrams of plane rectangular diffusers are studied: with different degrees of expansion (n = 1,5, n = 2,25, n = 4), with different angles of expansion in plan (120, 300); with dividing walls and deflectors. The article provides practical recommendations for the implementation of the optimal design of the diffuser, in which it is possible to achieve a uniform distribution of output velocities, as well as reduce the value of the drag coefficient of the diffuser, thereby increasing the throughput of the structure as a whole. Key words: water flow hydro-stabilizer, speed distribution, diffuser,

water outlets, diffuser drag coefficient, irrigation system. References

1. Snezhko, V.L. Hydrodynamic regulation of the flow rate of low-

pressure culvert hydraulic structures, the dissertation for the degree of Doctor of Tech. Sciences / Moscow State University of Environmental Engineering, Moscow, 2012, 345 p.

2. Snezhko V.L., Gaysin A.A., Benin D.M. Resource-saving culverts

for irrigation canals, Environmental Engineering. 2016. No. 5. P. 26-31.

3. Husni, S. I. Improving the design of regulatory structures on

irrigation canals using hydrodynamic self-regulation [Text]: dis. ... cand. tech. Sciences: 05.23.16 / Husni Sanal Ibrahim. - M., 1993 .-- 199 p.

4. Benin D.M. Hydraulic substantiation of parameters of flowing

parts of flow stabilizers of tubular culverts, dissertation for the degree of candidate. tech. Sciences / Moscow State University of Environmental Engineering. Moscow, 2011, 175 p.

5. Benin D.M., Snezhko V.L. Automation means for culvert reclamation facilities, monograph, Moscow, DPK Press LLC, 2018, 108 pp.

6. Snezhko V.L. On the issue of automation of pressure head water

outlets of small hydroelectric facilities, Prospects of science. 2010. No. 10 (12). S. 54-58.

7. Gaysin A.A. Hydraulic substantiation of parameters of flowing

parts of flow regulators for reconstructed tubular culverts, dissertation for the degree of candidate. tech. Science, FSBEI HE Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, M., 2015, 191 p.

8. Benin D.M., Snezhko V.L. Increasing the range of operation of

hydrodynamic outlets-flow stabilizers, Environmental Engineering. 2011. No. 2. P. 85-87.

X X О го А С.

X

го m

о

2 О

м о