CC BY
35
М.С. Басс, А.Г. Батухтин, С.А. Требунских // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2013. №2. С. 80-84.
2. Батухтин А.Г. Автоматизированная система регулирования расхода теплоносителя для теплоснабжения групп потребителей / А.Г. Батухтин, М.В. Кобылкин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2013. №2. С. 68-72.
3. Батухтин А.Г. Моделирование современных систем централизованного теплоснабжения / А.Г. Батухтин, А.В. Калугин. // Вестник ИрГТУ, 2011. - Т. 55. -№8. - С. 84-91.
4. Батухтин А.Г. Повышение эффективности современных систем теплоснабжения / А.Г. Батухтин, С.А. Иванов, М.В. Кобылкин, А.В. Миткус // Вестник Забайкальского государственного университета. - Чита: ЗабГУ. - 2013. - №9(100). С.112-120.
5. Ионин А.А., Хлыбов Б.М., Братенков В.Н., Терлецкая Е.Н. Теплоснабжение. - М: Экомет, 2011, 336 с.
6. Новости отрасли: http://www.pktirs.ru/page-8.html
7. СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».
© Ильин Р.А., Столяров Д.В., 2015
УДК 631.7.627.834.
Квасов Петр Андреевич
ст.научный сотрудник КазНИИЭ, г.Алматы, РК
E-mail: [email protected]
МЕСТНЫЙ РАЗМЫВ ЗА НОВОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ ГЭС, ОБОРУДОВАННОЙ ПЛОТИНОЙ В
ВИДЕ ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ
Аннотация
Применительно к новой конструкции малой ГЭС, оборудованной плотиной с плавкой вставкой и обеспечивающей отброс струи и растекание потока в воронке размыва по типу полуограниченной струи даны рекомендации по расчету параметров местного размыва.
Ключевые слова Малая ГЭС, плавкая вставка, расчет, местный размыв
Предложена новая конструкция малой ГЭС, оборудованная плотиной с плавкой вставкой, обеспечивающей отброс струи и растекание потока в воронке размыва по типу полуограниченной струи [1,2,3]. На конструкцию плотины с "плавкой" вставкой подана заявка на изобретение [4,5,6]. Сдерживает широкое применение этой конструкции отсутствие метода расчета глубины местного размыва, определяющей устойчивость плотины. Поэтому методика расчета размыва является востребованной и актуальной.
Как показали наши эксперименты, гидравлическая картина течения в нижнем бьефе плотины с плавкой вставкой и МГЭС достаточно сложна. Здесь формируются два вальца - водоворота, между которыми как бы протекает основная струя, которая и образует воронку местного размыва (рис.1) .
Рисунок 1 - Расчетная схема растекания струи в воронке
Мы наблюдаем как бы два участка протекания струи. Первый - между вальцами - водоворотами, второй - полуограниченное течение вдоль низового откоса воронки размыва. Нами предлагается методика расчета местного размыва отброшенной струей, учитывающая особенности предлагаемой конструкции и наличие МГЭС и модернизирующая разработанную ранее в КазНИИЭ под руководством Т.Х Ахмедова методологию. Наши усовершенствования сводятся к подразделению движения струи в воронке размыва на два участка: растекание струи по схеме за уступом (1 участок) и введение фиктивного потока, учитывающего приток воды от МГЭС и имитирующего движение воды вдоль полуограниченной поверхности (рис.2,3,4).
Рисунок 2 - Кинематическая схема движения на первом участке (нижняя половина струи)
Рисунок 3 - Схема течения на втором участке (полуограниченная струя)
Рисунок 4 - Схема стыковки независимых решений путем введения фиктивного потока
Изменение относительной осевой скорости ит получим из совместного решения уравнения количества движения для верхней половины струи на первом участке и формулы Шлихтинга, описывающей распределение скоростей по сечению.
1
(1)
b
0,416 +
xtg (ßo - с)
b
+ 0,268m + 0,316
m
2
—< m
b
b
где m = ;и - скорость обратного тока в верхней циркуляционной зоне, направленная навстречу
и
m
вектору продольной составляющей скорости в струе; С — «константа турбулентности».
Значения тъ в функции от x находятся при совместном рассмотрении уравнений, количества движения и расхода для верхней половины струи.
Безразмерные координаты границ циркуляционной зоны (нижняя половина струи) — и * в
ъ ъ
зависимости от m определяются соответственно из уравнения расхода циркуляционной зоны и зависимости Шлихтинга.
_ b*[(mB -1)(0,25^34 -0,8^32,5) + 0,55m„ + 0,45] (2)
tg (ß0 -Ф)x
1-b --
H
(3)
^ Т V1-т„
И Уз е У где д3 = —,£4 = — - относительные ординаты.
Ь Ь
Изменение осевой скорости потока по длине второго участка послеперестройки эпюры скоростей получено из совместного рассмотрения уравнения количества движения и зависимостей изменения толщины струйного и пристенного пограничных слоев в виде:
11,27 (4)
1,8 х
11Х +11,27
Здесь: ит — осевая скорость на втором участке после перестройки эпюры скоростей; и — осевая
скорость в сечении, где заканчивается перестройка эпюры скоростей.
Стыковка независимых решений для зоны перестройки и основного участка полуограниченного течения выполняется с помощью «фиктивного» потока. В рассмотрение вводится фиктивное сопло с прямоугольным профилем скорости на срезе. Течение, образованное струей жидкости, вытекающей из фиктивного сопла, называется фиктивным.
Скорость на срезе сопла принята равной максимальной (осевой) скорости в сечении а-а, где заканчивается переформирование поля скоростей. Эта скорость находится расчетом из рассмотрения предыдущего первого участка . Расстояние, на которое удален срез фиктивного сопла от сечения а-а, равно длине начального участка полуограниченного течения. Высота фиктивного сопла 2Ь находится из условия
равенства действительного расхода прямого тока в сечении а-а расходу фиктивного течения, учитывающего дополнительный расход МГЭС. Приведенное решение позволяет рассчитать поле скоростей з любом поперечном сечении по длине траектории сбросного потока от входа под уровень воды до выхода в отводящее русло.
Максимальную глубину воронки местного размыва определяем подбором, используя гипотезу о том, что размыв прекращается, когда скорости на выходе из воронки размыва достигнут допускаемых для грунта основания нижнего бьефа. Сопоставление расчетов с нашими опытами дало удовлетворительные результаты - расхождение не превышало 10%. Размыву подвергались в лабораторных условиях, главным образом, песчаные, супесчаные грунты, суглинки.
Определение глубины местного размыва входит составной частью в расчет устойчивости сооружений. Глубина размыва и его местоположение нередко предопределяют выбор конструкции (тип) водосливной плотины и обусловливают величину заглубления водосброса или меры по его защите от подмыва. Поэтому достоверное прогнозирование параметров местного размыва имеет важное значение для рационального, наиболее эффективного проектирования.
В результате проведенного теоретического и экспериментального исследования местного размыва,
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12/2015 ISSN 2410-700Х_
образованного свободно отброшенной струей и водовыпуском МГЭС, а также обобщения материалов других авторов, можно отметить следующее.
1. На основании анализа известных работ, посвященных изучению местного размыва, и выполненных нами экспериментов, установлено, что для описания сложного течения, включающего соударение струй в нижнем бьефе водосливных плотин, можно использовать уравнения теории турбулентных струй. Это облегчает постановку и решение задачи местного размыва, поскольку растекание тесно связано с размывающей способностью потока.
2. Изучение кинематической структуры сбросного потока показало, что сложное течение в воронке размыва можно подразделить на два вида: 1- растекание потока между двумя вальцами-водоворотами, 2-полуограниченное течение вдоль шероховатой, частично криволинейной поверхности. Итоговые расчетные зависимости, основанные на теории движения полуограниченной струи, достаточно полно описывают растекание соударяющихся струй в сформированной ими воронке размыва.
Отметим, что приведенный метод расчета кинематических характеристик свободноотброшенной струи основан на полуэмпирической теории свободной турбулентности Л. Прандтля. В окончательные расчетные зависимости входит одна постоянная «С-константа» турбулентности. Величина этой постоянной обычно находится из опытов. Для нашего случая она равна С = 0,22, т.е. той величине, которая обычно принимается в теории турбулентных струй жидкости и газа.
3. Экспериментальными исследованиями, проведенными на двух установках в широком диапазоне изменения удельных расходов, напоров, характеристик размываемого грунта, подтверждена правомерность принятого подхода и проверены полученные теоретические зависимости. Экспериментально установлено, что профиль воронки размыва симметричен, а уклон откосов воронки определяется углом внутреннего трения размываемого грунта, показано как применяются полученные результаты к решению задачи местного размыва.
4. Расчет ведется методом подбора. Задаваясь глубиной воронки размыва и рассчитывая для этой глубины скорость на выходе в отводящее русло, сравниваем ее с допускаемой. При не совпадении этих скоростей, меняем глубину воронки и повторяем расчет вновь, добиваясь равенства рассчитанной и допускаемой скоростей. Проверка предложенной методики расчета проведена на собственных опытных данных. Материалы этого сопоставительного анализа показывают, что предлагаемый метод расчета позволяет достаточно надежно определять глубину размыва при сопряжении бьефов с учетом соударения струй.
Список используемой литературы
1. Отчет НИР АО «КазНИИЭнергетика им. академика Ш.Ч. Чокина» "Теоретические и экспериментальные исследования малонапорных гидротурбин для малых ГЭС", исполнители Кошумбаев М.Б., Квасов П.А. , Ержан А.А. 2015г., с.145.
2. Квасов П.А. Калиев С.М. Ордабаев М.К. Материалы международной научно-практической конференции "Техносферная Безопасность"; Наука и практика. «Особенности образования cбойного течения». Бишкек 2015 с.86
3. Кошумбаев М.Б. Квасов П.А. Абдурасулов И.А. Материалы международной научно-практической конференции "Техносферная Безопасность"; Наука и практика. «Energy Saving and Renewable Energy». Бишкек 2015 с.98.
4. Квасов П.А. Критический анализ работы сооружений при селепроявлениях на р. Хоргос 18-22 июня 2010 года. Наука и новая технология, №7. Бишкек: Изд-во НЖ и ДХЛ, 2013, с.
5. Кошумбаев М.Б., Квасов П.А., Ержан А.А., Мырзакулов Б.К., Аюбаев Т.М. Гидротехнические сооружения и ГЭС: Противоселевые и противопаводковые мероприятия // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана, № 11 октябрь 2012 г. - с. 62-65.
6. Кошумбаев М., Ержан А., Мырзакулов Б., Квасов П. 2-nd International Conference on ITMAR «Theoretical and Experimental Researches on Development of New Construction of Wind-Driven Generator with Flux Concentrator» 20-21октябрь 2015 с. 58. Стамбул. Турция (с Имракт-фактором, в печати).
© Квасов П.А., 2015
