CC BY
8Гидравлическое моделирование при изучении пропуска льда через гидротехнические сооружения
о
см
О Ш
т
X
3
<
т о х
X
Фомичева Няиля Николаевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра водных изысканий, путей и гидротехнических сооружений, СГУВТ, Сибирский государственный университет водного транспорта, ginelli@ngs.ru
Пропуск весеннего льда через низконапорные гидроузлы является актуальным вопросом и на сегодняшний день. Изучение этого вопроса сопряжено со многими аспектами: необходимо учитывать динамическое взаимодействие потока с ледовыми образованиями; иметь базу данных натурных исследований; проводить серии лабораторных экспериментов с учетом теории моделирования
В статье приводятся сведения о выполненных исследованиях в лабораторных условиях. Описано моделирование, основанное на законах подобия механических систем. Получено соотношение масштабных коэффициентов для динамически подобных потоков. Построена модель водопропускного сооружения, приведена информация о использовании вспомогательных порогов различных размеров, которые устанавливались на различных расстояниях от основного водослива. Результаты исследований позволяют оценить влияние расположения основного водослива и вспомогательного порога, а также влияние размеров последнего на формирование кривой свободной поверхности.
Проведенные эксперименты позволили подобрать уравнение для описания свободной поверхности потока на сосредоточенном перепаде. Изготовленные модели водослива и вспомогательных порогов дают возможность моделировать гидравлические процессы при пропуске льда через гидроузлы. Ключевые слова: Гидравлическое моделирование; пропуск весеннего льда; водосливы
Вопросы пропуска льдов при строительстве и эксплуатации гидроузлов могут быть решены лишь при детальном учете местных особенностей водотока, характера сооружений и состояния льда [1, с. 140-142], [2, с. 144-147]. Процесс пропуска льда проходит в условиях неустановившегося движения потока, динамического взаимодействия потока с ледовыми образованиями, которые подвергаются деформациям и разрушению. В связи с этим теоретический подход к оценке условий пропуска льда затруднен. Однако, используя обширный материал натурных наблюдений, и рассматривая их как один из методов моделирования, используя критерии подобия, получены зависимости для расчета пропуска льда через гребенки водосливных сооружений. [3, с.59-63] Эти решения относятся к строительному периоду. Остаются вопросы, связанные с расчетом пропуска льда через гидроузлы в эксплуатационный период.
В данной статье приводятся некоторые результаты лабораторных исследований по формированию свободной поверхности при пропуске льда через гидроузлы в весенний период и наличие сосредоточенного перепада.
Состав эксперимента включается в себя:
- изготовление водослива с широким порогом, вспомогательных водосливов и искусственного льда;
- исследование свободной поверхности воды на сосредоточенном перепаде;
- исследование движения льда на сосредоточенном перепаде и перед основным водосливом.
Проведение таких экспериментов даст возможность получить данные о гидромеханике потока и твердого тела, движущегося на участке от вспомогательного водослива до основного (рис.1).
При выполнении поставленных задач требовалось выполнить условия моделирования двух потоков.
Как известно, гидравлическое моделирование основано на общих законах подобия механических систем [4, с.301-309]. Гидравлические процессы происходящие в натуре воспроизводятся на модели с соблюдением следующих условий: геометрического подобия; подобия начальных и граничных условий на модели; равенства критериев динамического подобия. Основным критерием динамического является критерий Ньютона:
ЛГЯ =
Я
(1)
Анализируя критерий Ньютона, основанный на его втором законе, можно получить соотношение между масштабными коэффициентами для динамически подобных потоков[4, с.301-309].
По i
(72,5^180) м3/с; перепады уровня составляли (0,45^2,38) м (в пересчете на натурные).
Использовались вспомогательные пороги различных размеров, которые располагались на расстояниях от основного водослива (12,2^30) м.
Результаты исследований свободной поверхности потока при наличии сосредоточенного перепада представлены на рис.2 и рис.3.
1- основной водослив; 2 - вспомогательный водослив; 3, 4 и 5 - свободная поверхность потока между водосливами Рис. 2 Схема расположения вспомогательного порога
1- береговые устои; 2 - бычок; 3 - ледяное поле; 4 -вспомогательный порог; 5 - порог основного водослива. Рис 1. Схема ледового сооружения.
При физическом моделировании гидравлических и ледовых процессов с использованием материальных моделей обычно применяют геометрическое подобие:
~Т _ V-e _ const (2)
^н
Масштаб моделирования принят равным: _ 1:35
В качестве критерия динамического подобия принято равенство чисел Фруда (получено на основе критерия
Ньютона):
= (3)
д1м д1н
Исходя из этого критериального соотношения, имеем:
(4)
Масштаб времени = ^uj;
При моделировании ледовых явлений необходимо также соблюдение следующего соотношения
Рлн _ Рлм (5)
Рвн Рвм
Так как в лабораторных условиях используется аналогичная жидкость (вода), как и в натуре, и их плотности одинаковы в условиях одного и того же значения д (дн _ дм), то плотности льда натурного и модельного должны быть равны между собой. Поэтому в качестве льда при моделировании процессов его движения использовались пластины, изготовленные из материала, имеющего плотность, близкую к 920 кг/м3. Изготовленные образцы в пересчете на натурные условия имели длину от 4,5м до 24 м, толщину соответственно от 0,97м до 1,3 м, а ширину 12м.
В качестве водопропускного сооружения был принят двухпролетный водослив с широким порогом (рис.1). Расходы воды, пропускаемые через водослив -
по данным лабораторных исследований Рис.3 Графики изменения величины Z=ZI -
ZII
от расстояния L
Для оценки влияния основного водослива на свободную поверхность при постоянном расходе и уровне в верхнем бьефе изменялось расстояние до вспомогательного водослива. Установлена связь между расстоянием вспомогательного порога от основного водослива L и перепадом на свободной поверхности Z=Z/-Z//. При назначении упомянутого выше расстояния необходимо ввести ограничения, соответствующие линии II-II. Уравнение прямой II- II можно записать следующим образом:
L=Z tgp +в , (6)
Где tg(p _ 73,3; в=20,5 м для натуры. Таким образом
Ьн max=73.3 Z+20.5 (м), (7)
Где Ьн max - максимально допустимое расстояние от основного водослива до вспомогательного порога.
Для построения кривой свободной поверхности на сосредоточенном перепаде рекомендовано пользоваться уравнением: ^=ах2+Ьх+е, (8) Где ^ и х - координаты;
а, Ь, c - постоянные коэффициенты, определяемые из опыта, используя метод наименьших квадратов. Таким образом: а = -0,28Z2 + 0,33 Z - 0,105; Ь = 0,75Z2 - 1,56 Z + 0,8.
X X
о
го А с.
X
го m
о
(9)
to
Среднеквадратическая ошибка для «а» составила 2,7%, для «Ь» - 3,3%, что позволяет признать вполне удовлетворительное использование уравнений (9). Коэффициент «с» зависит от расположения начала координат.
Выводы:
1. Разработанные и изготовленные модели водосливов позволяют в широких пределах моделировать гидравлические процессы при пропуске льда через гидроузлы.
2. Исследования, проведенные на гидравлической модели, позволили подобрать уравнение для описания свободной поверхности потока на сосредоточенном перепаде и получить входящие в него коэффициенты.
Литература
1. Фомичев Б.С., Фомичева Н.Н. Некоторые аспекты пропуска весеннего льда через низконапорные гидроузлы. Сибирский научный вестник Х1 - Новосибирск: НГАВТ, 2008, тир.300. - с.140-142.
2. Фомичева Н.Н. Мероприятия, обеспечивающие пропуск льда в весенний период через низконапорные гидроузлы. Основы рационального природопользования. Материал международной научно-практической конференции. - Саратов: Наука, 2009, тир.100. - с.144-147.
3. Кореньков В.А. Основные схемы и решающие факторы пропуска льда при строительстве ГЭС в условиях Сибири. - Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 42. - М: Энергия, 1968. - с.59-63
4. Справочник по гидравлическим расчетам/ под ред. Киселева П. Г., изд. 5-е. - М: Энергия, 1974, тир. 25000. - с.313.
Hydraulic modelling of ice flow through hydrotechnical constructions Fomicheva N.N.
The Siberian state university of water transport
Spring ice flow through low-head hydro systems is an actual question at present. The study of this question is connected with a lot of aspects: it is necessary to take into account dynamic interaction of flow with ice formations; to have the database of researches; to conduct series of laboratory experiments taking into account the theory of modelling.
The article deals with fulfilled researches in the laboratory. The article describes modelling, based on the laws of similarity of mechanical systems. The authors obtained the correlation of scale coefficient factors for dynamic similar flows. The authors made the model of discharge facility. The authors write about using of assisting overfalls of different sizes placed on different distances from the main spillway.
The results of researches allow to evaluate the influence of the main spillway and assisting overfall disposition, and also the influence of the sizes of the latter on the forming of curve of free surface.
The fulfilled researches have allowed to glean the equation for description of free surface of flow on the centred drop. The made models of spillway and assisting overfalls give the opportunity to model hydraulic processes with flow of ice through the hydro systems.
Key words: Hydraulic modelling, spring ice flow, spillways.
References
1. Fomichev BS, Fomicheva N.N. Some aspects of the passage of
spring ice through low-pressure waterworks. Siberian Scientific Bulletin XI - Novosibirsk: NGAVT, 2008, vol. 300. - p. 140-142.
2. Fomicheva N.N. Events ensuring the passage of ice in the spring
through low-pressure waterworks. Fundamentals of environmental management. Material of the international scientific-practical conference. - Saratov: Nauka, 2009, vol. 100. - p. 144-147.
3. Korenkov V.A. The main schemes and decisive factors for the
passage of ice during the construction of hydropower plants in Siberia. - Proceedings of coordination meetings on hydraulic engineering, vol. 42. - M: Energy, 1968. - p. 59-63
4. Handbook of hydraulic calculations / ed. Kiseleva P.G., ed. 5th. -
M: Energy, 1974, shooting gallery. 25000. - p. 313.
о
СЧ
О Ш
m x
<
m о x
X
