CC BY
18
Agrarian University»; 127550, Moscow, ul. Pryanishnikova, d.19; e-mail: ivglazunova@ mail.ru.
Sokolova Svetlana Anatoljevna,
candidate of technical sciences,associate professor of the chair «Complex use of
water resources and hydraulics»; Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Russian Timiryazev State Agrarian University»; 127550, Moscow, ul. Pryanishnikova, d.19; e-mail: sokolovasvetlana@mail.ru.
УДК 502/504 : 551.482.215 В. А. ФАРТУКОВ
Закрытое акционерное общество «Бюро сервиса и эксплуатации», г. Москва
М. В. ЗЕМЛЯННИКОВА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К. А. Тимирязева», г. Москва
ИННОВАЦИОНАЯ СИСТЕМА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДНОГО ПОТОКА
Настоящая работа посвящена применению инновационных технологий для проведения гидродинамических исследований различных режимов течения воды в нижнем бьефе гидротехнических сооружений. Установлено, что в случае установившегося режима поступления расхода воды в нижний бьеф в области прыжка всегда будет иметь место неустановившийся колебательный режим течения, который образует волны с характерной амплитудой и длиной. Целью работы является изучение и расчет параметров неустановившегося колебательного режима течения в нижнем бьефе гидротехнических сооружений. Результаты решений ориентированы на определение параметров водного потока для последующего сравнения с расчетными величинами, полученными аналитическим методом. Представлена концепция проведения гидродинамических исследований нестационарного режима водного потока. Разработан алгоритм проведения исследований. Осуществлен подбор приборов,модулей,датчиков и их согласование для совместной работы при проведении измерений. Разработана программа сбора и обработки данных, поступающих от измерительного оборудования,осуществлена адаптация стандартного программного обеспечения для ввода в персональный компьютер. Применен инновационный способ определения колебания уровня водной поверхности и структуры водного потока.
Гидродинамические исследования, колебательный режим, инновационные технологии, нижний бьеф, параметры водного потока, измерительный комплекс, интеллектуальный анализ, экспериментальные исследования.
Введение. Наличие различных режимов водного потока исследуется с давних времен, однако, и в настоящее время этот вопрос остается актуальным. Актуальность вопроса обуславливается снижением стоимости производства работ при строительстве (ремонте, восстановлении) различных водопропускных сооружений, а также повышении их надежности. В публикациях ряда авторов, например [1, 2, 7], отмечалось наличие в открытых водных потоках колебаний скорости и расхода с характерными периодами Т = 1/5...1/30 Гц [2]. Одновременно в этих работах [1, 2] приведен анализ уравнений одномерной гидравлической
3' 2016
идеализации, в результате которого доказано существование колебательного режима течения и приведено выражение для определения периода колебаний:
Т = 2пС4Е / ^(I - у),
где Т - период колебаний, е.; С - коэффициент Шези, м0,5с; И - гидравлический радиус, м; I - уклон водной поверхности; ¿0 - уклон дна.
Неустановившийся колебательный режим течения и уравнение сопряженных глубин имеют место только в случае увеличения периода временного сглаживания. Этот колебательный режим порожден трением на границе «жидкость - омываемая твердая поверхность». В зоне прыжка,
S
как и во всех других случаях отрывных течений, имеет место макротурбулентность с характерным временным масштабом Т , который больше временного масштаба Тп, отвечающего обычному уравнению турбулентности без отрывных течений.
Полученное нами нелинейное дифференциальное уравнение показывает, что энергия рассеивается при больших амплитудах и генерируется при малых, при этом образуются предельные циклы, которые колеблются около состояния, при котором приток и диссипация энергии сбалансированы [3, 4].
ные сети, эволюционное программирование ассоциативной памяти и нечеткой логики.
dt2
с-
d
-с
v dt У
\2
.¿± . -
м 4с
+ ц
9
+ 4'
5 с2 с
5--+ —
36 18
d
-с
V dt у
= 0
предельных образованию полей в
Наличие таких
циклов приводит к бифуркаций векторных структуре течения воды для случая прыжкового сопряжения бьефов гидротехнических сооружений.
В целях проверки правильности постановки задачи и полученных результатов аналитических исследований была разработана и собрана экспериментальная установка.
Материалы и метод исследований. Решение этой задачи осуществлялось путем проведения исследований физической модели гасителя энергии водного потока (водобойный колодец) в нижнем бьефе гидротехнического сооружения с применением измерительного комплекса. В основе измерительного комплекса лежит принцип взаимодействия приборов: измерительных модулей, преобразователей и датчиков, объединенных системой прямой и обратной взаимосвязями (рис. 1). Общий принцип проведения экспериментальных исследований базируется на интеллектуальном анализе полученных данных (data mining). В основе метода data mining лежат методы классификации, моделирования и прогнозирования. Способы реализации метода представляют собой деревья решений, искусственные нейрон-
3 2
Рис. 1. Структурная схема измерительного комплекса: 1 — барботажный уровнемер;
2 - ультразвуковой измеритель уровня;
3 - дифференциальный датчик давления;
4 - микровертушки со скоростью V (м/с)
Используемый нами метод интеллектуального анализа экспериментальных данных представляет собой нейросетевую архитектуру, которая базируется на применении двунаправленной ассоциативной памяти, предложенной Барта Коско [5]. Метод базируется на модели гетеро ассоциативной памяти, в которой запоминаются ассоциации между парами образов, в нашем случае реализации записи гидродинамических параметров, скорости и глубины водного потока, гидравлического уклона. Запоминание происходит так, что при предъявлении нейроновой сети одного из образов (записи реализаций), восстанавливается второй член пары, т. е. другая запись реализаций.
На подготовительном этапе определялось положение основного створа, которое с учетом характера движения воды обеспечит автомодельность величины уклона по отношению к длине базы измерения. Далее на основе серий долговременных экспериментов, во время которых проводились измерения колебаний скорости потока на входе, определялись собственные колебания и частотные шумы гидравлической установки. После проведенных подготовительных работ производилась запись исследуемого гидродинамического процесса для различных значений чисел Рейнольдса и Фруда и различных сочетаний гидравлических и геометрических параметров.
Статистическая надежность результатов достигалась продолжительностью
4
2
d
2
4
с
Ц
ц
3
с
3
записи процесса. Уклон водной поверхности измерялся дифференциальным манометром с базовым расстоянием не менее 1,0 метра.
Скорость водного потока измерялась микровертушкой, с дискретностью от 1,0.5,0 с. Измерения уровня водной поверхности осуществлялись высокочувствительным барботажным уровнемером с дискретностью не менее 5,0 с. или высокочувствительным ультразвуковым уровнемером.
На подготовительном этапе анализа гидродинамических временных рядов определялись аномальные значения, которые впоследствии заменялись их средними значениями. При дальнейшей обработке определялся тренд, и в случае его выявления он удалялся, с последующим центрированием всего временного ряда. Устранение случайных помех осуществлялось методом скользящего среднего или экспоненциально взвешенного сглаживания. Для всех экспериментальных рядов рассчитывались функции распределения плотности вероятности и спектрограммы.
После расчета спектральной характеристики, иногда, возникала необходимость в решении задачи рассеяния. Это связано с тем, что ординаты спектрограммы являются случайными величинами, следовательно, образуется множество хаотических пиков. Для решения задачи рассеяния определялись частоты с наибольшими спектральными плотностями, т. е. частотные области, состоящие из многих близких частот, вносящие наибольший вклад в периодическое поведение всего ряда, т. е. являющиеся энергонесущими. Рассеяние устранялось путем сглаживания значений осциллограммы с помощью преобразования средневзвешенного скользящего.
Для всех реализаций вычислялась плотность распределения скорости, которая, при наличии в процессе регулярной низкочастотной периодической составляющей, является двух модальной. Действительно, как показано в [6], при возникновении автоколебаний функция распределения становилась двух модальной с максимумами, соответствующими наиболее часто появляющимся величинам.
Результат исследований. Данный информационно-измерительный комплекс позволяет решить сложные задачи по
3' 2016
обработке и регистрации гидродинамических характеристик нестационарности водного потока. На рисунке 2 представлена схема экспериментальной гидравлической установки исследования нестационарного режима водного потока.
Рис. 2. Схема экспериментальной гидравлической установки исследования нестационарности водного потока и расположения контрольно-измерительного оборудования: 1 -
барботажный уровнемер; 2 - ультразвуковой измеритель уровня; 3 - дифференциальный манометр-уклономер; 4 - микровертушки; 5 - подача воды в бак; 6 - сброс воды в резервуар
Выводы
Представлена концепция проведения гидродинамических исследований нестационарного режима водного потока.
Разработан алгоритм проведения исследований.
Осуществлен подбор приборов, модулей, датчиков и их согласование для совместной работы при проведении измерений. Разработана программа сбора и обработки данных, поступающих от измерительного оборудования, осуществлена адаптация стандартного программного обеспечения для ввода в персональный компьютер. Применен инновационный способ определения колебания уровня водной поверхности и структуры водного потока.
Библиографический список 1. Коваленко В. В. Измерение и расчет характеристик неустановившихся речных потоков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. -160 с.
