Гидравлический расчет тупиковых саморегулирующихся распределительных каналов автоматизированных оросительных систем Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 626.824-52

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТУПИКОВЫХ САМОРЕГУЛИРУЮЩИХСЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

© 2014 г. Ю.Г. Иваненко, А.А. Ткачев, А.Ю. Иваненко

Иваненко Юрий Георгиевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Гидравлика», Инженерно-мелиоративная академия ДГАУ, г. Новочеркасск. Тел. (8635) 25-89-80. E-mail: pavodok37@gmail. com

Ткачев Александр Александрович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Гидротехнические сооружения», Инженерно-мелиоративная академия ДГАУ, г. Новочеркасск. Тел. (8635) 253102. E-mail: lxtkachev@gmail.com

Иваненко Александр Юрьевич - соискатель, Инженерно-мелиоративная академия ДГАУ, г. Новочеркасск. Тел. (8635) 258980. E-mail: pavodok37@gmail.com

Ivanenko Yuri Georgievich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Hydraulics», Engineering and Land Reclamation Academy DGAU in Novocherkassk. Ph. (8635) 25-89-80. E-mail: pavodok37@gmail.com

Tkachev Alexander Alexandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «hydraulic structures», Engineering and Land Reclamation Academy DGAU in Novocherkassk. Ph. (8635) 253102. E-mail: lxtkachev@gmail.com

Ivanenko Alexander Yurievich - post-graduate student, Engineering and Land Reclamation Academy DGAU in Novocherkassk. Ph. (8635) 258980. E-mail: pavodok37@gmail.com

Рассматривается метод гидравлического расчета тупиковых саморегулирующихся распределительных каналов с применением численных решений дифференциальных уравнений характеристик. Выбор оптимального закона автоматического регулирования водоподачи позволяет: рационально использовать объёмы бьефов в каналах, аккумулируя необходимое количество воды в нужном бьефе; обеспечивать бесперебойную подачу воды водопотребителям; осуществлять быстрое протекание процессов регулирования для улучшения качества оперативности управления системой; минимизировать технологические потери воды; предотвращать угрозу перелива воды через дамбы каналов.

Ключевые слова: неустановившееся движение воды; тупиковые саморегулирующиеся распределительные каналы; закон автоматического регулирования водоподачи и водоотведения; дифференциальные уравнения характеристик; перегораживающие и водораспределительные сооружения.

In this paper the method of hydraulic calculation of blind self-regulating distribution channels using numerical solutions of differential equations of the characteristics. Automatic selection of the optimal control law allows water supply: rational use of volumes pond of channels, accumulating the required amount of water in the pond of the right; to ensure an uninterrupted supply of water to users; provide fast flow control processes to improve efficiency of control system; technological minimize water loss; prevent the threat of water overflow channels through dams.

Keywords: unsteady flow of water; blind self-regulating the distribution channels; the law of automatic control of water supply and sanitation; the differential equations of the characteristics; water distribution facilities, and off.

Саморегулирующиеся каналы являются составным элементом автоматизированных оросительных систем. Особое место в системе саморегулирующихся распределительных каналов занимают тупиковые каналы, в которых автоматическое регулирование водоподачи и водоотведения осуществляется в соответствии с разработанным законом регулирования. При выборе закона автоматического регулирования водоподачи и водоотведения в саморегулирующихся тупиковых оросителях в основу положен принцип обеспечения полного соответствия между количеством воды, поступающей в саморегулирующийся канал, и её количеством, потребляемым в хозяйствах. Реализация этого принципа на современных оросительных системах возможна на основе автоматизации технологических процессов водоподачи и водоотведения, которые сопровождаются динамическими перемещениями уровней и расходов при неустановившемся движении воды.

Выбор оптимального закона автоматического регулирования водоподачи позволяет: рационально использовать объёмы бьефов в каналах, аккумулируя необходимое количество воды в нужном бьефе; обеспечивать бесперебойную подачу воды водопотребите-лям; осуществлять быстрое протекание процессов регулирования для улучшения качества оперативности управления системой; минимизировать технологические потери воды; предотвращать угрозу перелива воды через дамбы каналов.

Для принятого закона автоматического регулирования водоподачи пропускная способность бьефов тупикового канала соответствует суммарному расходу водопотребителей, процесс включения которых может быть как мгновенным, так и растянутым во времени. При отключении или включении водопотребителей в тупиковых каналах процесс водоподачи автоматически изменяется в пределах от максимальных значений

при 100 % включении до минимальных значений при полном отключении водопотребителей.

Процесс регулирования водоподачи и водоотве-дения в системе бьефов саморегулирующихся каналов рассчитывается с помощью уравнений Сен-Венана, записанных в характеристической форме [1]:

dU + /-gda = [ (±q) I-g + g (i0 - Ц-) + -q 11 3a \ ой C2R a

(U + J—)(dU +. gda) = V B v Ba

= [(±q)-g + g (io - + Uq] dX; V Ba " "

g

U2

U

dt; (1)

C2 R

dU -Jgdи = [- (±q) /g + g (io - Ur) + Uq] dt; (2) V Ba V Ви C2 R а

g

U2

U

(U - J — )(dU - J—d a) = V B V Ba

=[(±q)\Hr~+g (io -

V Ba

U ) + u q] dX,

a

C 2 R

где и - средняя скорость течения воды в сечении, м/с; X - пространственная координата, м; t - время, с; ю -площадь поперечного сечения, м2; В - ширина водотока по урезу воды, м; g - ускорение силы тяжести, м/с2; С - коэффициент Шези, м0 5/с; R - гидравлический радиус м; i0 - уклон дна водотока; ±q - расход

притока (оттока) воды от бортов русла, м2/с.

Знак (+) отвечает расходу притока воды к бортам русла, знак (-) отвечает, соответственно, расходу оттока воды от бортов русла. Уравнения (1) относятся к прямой характеристике, уравнения (2) - к обратной характеристике.

В работе рассматривается регулирование по уровню верхнего бьефа в голове канала для варианта

регулирования, соответствующего предельно возможному случаю полного мгновенного отключения и затем полного мгновенного включения всех водопотре-бителей. В голове канала одновременно подается регулируемый расход в соответствии с законом регулирования. Граничные условия задаются в виде расходов потребителей.

Для расчета переходных режимов течения воды в каналах разработан программный комплекс, основанный на методе характеристик. Метод характеристик, в отличие от других методов, применяемых для решения аналогичных задач, дает возможность определять время и местоположение (створ) возникновения прерывных волн. Он наиболее точный, максимально приближен к физическим процессам, протекающим в натурных условиях, позволяет достаточно просто вводить краевые условия [2].

Контроль за режимом работы и управлением затворами перегораживающих сооружений осуществляется в дискретные моменты времени, в соответствии с математическими зависимостями, описывающими процесс контроля и управления. Ему соответствуют расчетные операции управляющих воздействий и уставок.

Данные по бьефам с гидравлическими элементами и схематизированными значениями расходов во-допотребления для рассматриваемого тупикового саморегулирующегося канала приведены в табл. 1.

В качестве математических зависимостей для расчета управляющих воздействий затвором головного перегораживающего сооружения канала рассматриваются законы регулирования дискретного действия.

Данные по головному перегораживающему сооружению тупикового саморегулирующегося канала представлены в табл. 2.

Начальное состояние процесса регулирования водоподачи и водопотребления характеризуется установившимся режимом водопотребления, параметры которого приведены в табл. 3.

Таблица 1

Гидравлические элементы в бьефах тупикового саморегулирующегося канала

Номер бьефа Шероховатость Уклон Длина бьефа, м Заложение откоса Ширина по дну, м Отбор воды, м3/с, 100 %

1 0,018 0,00006 250 1,0 1,5 0

2 0,018 0,00006 1000 1,0 1,5 1,0

3 0,02 0,00006 2000 1,0 1,0 1,0

4 0,02 0,00006 1000 1,0 1,0 1,0

5 0,02 0,00006 2000 1,0 1,0 1,0

6 0,02 0,00006 1000 1,5 1,0 1,0

7 0,02 0,00006 1500 1,5 1,0 0

Таблица 2

Данные по головному перегораживающему сооружению тупикового саморегулирующегося канала

№ бьефа Коэффициент расхода Коэффициент горизонтального сжатия потока Коэффициент вертикального сжатия потока Ширина затвора, м Количество затворов Открытие затвора, м

1 0,63 0,94 0,96 1,5 1 2,0

Таблица 3

Параметры тупикового саморегулирующегося канала при установившемся режиме движения воды (нулевая характеристика)

Номер бьефа Длина, м Расход, м3/с Глубина, м Скорость, м/с

1 250 5,0 2,805 0,422

2 1000 5,0 2,355 0,562

3 2000 4,0 2,311 0,536

4 1000 3,0 2,015 0,51

5 2000 2,0 1,895 0,383

6 1000 1,0 1,859 0,156

7 1500 0 1,91 0,014

В качестве граничных условий приняты гидравлические параметры канала по бьефам, соответствующие установившемуся неравномерному течению с расходом воды в голове канала Q = 5,0 м3/с и глубиной воды h = 2,805 м. В конце 7 бьефа тупикового канала расход воды равен нулю, а глубина воды h = 1,91 м.

На рис. 1 представлен график зависимостей изменения расходов воды в начальных створах 1, 4, 6 и в конечном створе 7 бьефов тупикового саморегулирующегося канала в зависимости от времени. Процесс неустановившегося течения воды начинается с момента мгновенного отключения всех водопотребителей (с изменением расхода с 5 до 0,1 м3/с) и характеризуется уменьшением расходов и повышением уровней воды в бьефах канала.

При мгновенном полном отключении водопотре-бителей через 10250 с водоподача в голове канала прекращается и движение воды в канале останавливается. Затем, через период, соответствующий ЛТ = = 2600 с (величина этого периода принимается в зависимости от условий эксплуатации тупикового канала), происходит мгновенное включение всех водопотреби-телей, и величины начальных расходов воды в бьефах восстанавливаются.

На рис. 2 показан график зависимостей изменения глубин воды от времени в начальных створах 1, 4, 6 и в конечном створе 7 бьефов тупикового саморегулирующегося канала при мгновенном полном отключении и при последовательном мгновенном полном включении водопотребителей.

Q, м3/с

ЦА - J ________ Q = AT)

А \

- /— -У- —

ч / / _А--А-

Т, с

-начальный створ 1 бьефа

-начальный створ 4 бьефа

Рис. 1. Зависимости изменения расходов воды от времени в начальных створах 1, 4, 6 и в конечном створе 7 бьефов тупикового саморегулирующегося канала при мгновенном полном отключении и последовательном

мгновенном полном включении водопотребителей

—начальный створ 1 бьефа —"—начальный створ 4 бьефа

—»—начальный створ 6 бьефа" » конечный створ 7 бьефа

Рис. 2. Зависимости изменения глубин воды от времени в начальных створах 1, 4, 6 и в конечном створе 7 бьефов тупикового саморегулирующегося канала при мгновенном полном отключении и при последовательном

мгновенном полном включении водопотребителей

Н, м

#=/№бьефа)

- * - 120

-20

-«-150

№ характеристики —*—40 —•— 60

-80

- * -250

- + - 400 -«-600

Рис. 3. Зависимости изменения глубин воды от номера бьефа тупикового саморегулирующегося канала для 0, 20, 40, 60, 80 характеристик при мгновенном полном отключении (сплошная линия) и для 110, 120, 150 характеристик при последовательном мгновенном полном включении водопотребителей (пунктирная линия)

Нза

2,5 2,0 1,5 1,0 -0,5 0

Нзатв f(T)

Т, с

10000 20000 30000

—♦—начальный створ 2 бьефа

40000

50000

Рис. 4. Зависимость изменения открытия затвора от времени в начальном створе 2 бьефа тупикового саморегулирующегося канала при мгновенном полном отключении и при последовательном мгновенном

полном включении водопотребителей

Процесс неустановившегося течения воды начинается с момента мгновенного отключения всех водопотребителей (с изменением расхода с 5 до 0,1 м3/с) и характеризуется повышением уровней воды в бьефах канала.

На рис. 3 приведен график зависимостей изменения глубин воды от номера бьефа тупикового саморегулирующегося канала для 0, 20, 40, 60, 80 характеристик при мгновенном полном отключении (сплошная линия) и для 110, 120, 150 характеристик при последовательном мгновенном полном включении водопо-требителей (пунктирная линия)

На рис. 4 представлена зависимость изменения открытия затвора от времени в начальном створе 2 бьефа тупикового саморегулирующегося канала при мгновенном полном отключении и при последовательном мгновенном полном включении водопотреби-телей.

Выводы

На основе полученных решений разработан метод расчета гидравлических и технологических параметров тупиковых саморегулирующихся распределительных каналов автоматизированных оросительных систем. Методика поиска оптимального сочетания параметров реализована в виде программного обеспечения.

Литература

1. Иваненко Ю.Г., Ткачев А.А., Иваненко А.Ю. Гидравлические аспекты устойчивых водных потоков в неразмы-ваемых и размываемых руслах. Новочеркасск, 2013. 352 с.

2. Иваненко Ю.Г., Ткачев А.А. Теоретические и прикладные проблемы гидравлики рек и каналов. Новочеркасск, 2007. 250 с.

Поступила в редакцию

15 июля2014 г.