Определение длины крепления нижнего бьефа за однопролетным водосбросом трубчатого типа Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 502/504 : 627.83:532.533

Э. С. БЕГЛЯРОВА, К. Е. ДЖИЛАЛИ, Р. А. ХАЙРУЛЛИН

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ КРЕПЛЕНИЯ НИЖНЕГО БЬЕФА ЗА ОДНОПРОЛЕТНЫМ ВОДОСБРОСОМ ТРУБЧАТОГО ТИПА

Представлены результаты экспериментов по определению длины участка диссипации избыточной энергии потока в трапецеидальном и треугольном руслах на жестких моделях однотрубчатого водосброса.

Трубчатый водосброс, диссипация избыточной энергии, гидравлический прыжок, пьезометрический напор, сопряжение бьефов, турбулентный поток, живое сечение потока.

The results of experiments are given on determination of the section length of dissipation of the excess energy of the flow in the trapezoid and triangular channels on the rigid models of the one - pipe spillway.

Conduit spillway, dissipation of the excess energy, hydraulic jump, hydraulic head, conjugation of pools, turbulent flow, flow living section.

Определение длины участка, диссипации избыточной энергии потока за трубчатым водосбросом на мелиоративных каналах представляет практический интерес [1].

Гидравлический расчет движения потока в трапецеидальном или треугольном руслах после выхода из водосбросной трубы — это пространственная задача, теоретическое решение которой пока что затруднено, однако оценить характер диссипации избыточной энергии потока в русле любой формы возможно опытным путем. В потоке с повышенной турбулентностью давление в каждой точке живого сечения зависит не только от ее геометрического положения относительно свободной поверхности в створе, но и от величины пульсаци-онных составляющих скорости в этой точке, которые можно характеризовать локальными коррективами количества движения и живой силы (коэффициенты Буссинеска и Кориолиса) [2].

Рассмотрим два сечения потока в пространственном русле, первое из которых находится в зоне с повышенной турбулентностью, а второе в зоне, где течение имеет медленно изменяющийся харак-

тер. Пренебрегая влиянием сил трения на границах и считая, что давление во втором сечении распределяется по гидростатическому закону, можно записать безразмерное уравнение количества движения для трапецеидального русла:

а„

_ 1,05 фж+2и|)?; ^((З + тп) Йф + та) 2(Pk+/7I)

К Р2 + -У рР Лт

\

j

\

j

(1)

где а — среднестатистический по времени и сечению корректив количества движения; а0 « 1,05 во втором сечении;

к ь2 Рр . ' лк

лр

где К — глубина воды в сечении; Ь — ширина канала по дну; К — критическая глубина; К — среднестатистический по площади живого сечения пьезометрический напор, который вычисляется по построенным телам давления; т — заложение откосов канала;

„ к „ Л, А

К К

Безразмерное уравнение количества движения для треугольного русла:

1,05 2[

а0 1,05 2г , е3-|

е2 е2 + ol>

86

№ 3' 2009

Левая часть уравнений (1) и (2) — это величина относительного количества движения потока в трапецеидальном и треугольном руслах, которая определяется с точностью до значения коррективов а0 и а, учитывающих распределение средних скоростей в плане во втором сечении.

Поскольку турбулентность потока при удалении от выходного сечения водосбросной трубы затухает, то и значение относительного количества движения уменьшается вдоль течения, приближаясь к его величине во втором сечении.

Погрешность при замене действительного тела давления при глубине Н на гидростатическое тело при Нр равна: для трапецеидального русла -

АР =

= РЙ

00

(*-*р)

гЫь1

■ +

2 3 (Ь + тку,

(3)

для треугольного русла

АР =

г тЬ?

(4)

где Р — среднее по времени давление в любой точке рассматриваемого живого сечения потока; ю — площадь живого сечения; g — ускорение свободного падения; р — плотность воды.

Характер изменения давления в потоке после его выхода из трубы в руслах обоих сечений таков, что значительное отличие тел давления от гидростатических наблюдается в центральной зоне потока для створов, расположенных не далее 10...12 диаметров трубы водосброса (считая от ее выходного сечения). Среднестатистический по живому сечению пьезометрический напор близок к глубине потока в сечении, и определяемая по (3) и (4) погрешность не превышает 1.2 % .

Эксперименты по определению длины участка диссипации избыточной энергии потока для обоих русел выполнены на жестких моделях однотрубча-того водосброса при наименьшей воз-

можной длине водовыпускной трубы, равной 15 внутренним диаметрам с перепадами для обоих русел, равными двум и четырем диаметрам трубы (рис. 1). Верхний и нижний каналы имеют одинаковую форму: для трапецеидального русла ширина по дну — два диаметра трубы, откосы в обоих случаях симметричные, заложение откосов т = 1,5. Дно каналов — горизонтальное. Вход в трубу выполнен в виде портального оголовка без затвора.

В процессе проведения опытов прежде всего рассматривалось сопряжение бьефов при критическом расположении гидравлического прыжка для каждого пропускаемого расхода Q, когда прыжок начинается непосредственно около выходного сечения трубы, т. е. прыжок не затоплен. Отношение глубины потока в нижнем бьефе в этом случае к диаметру трубы назовем предельным расширением потока, а глубину сопряженной с диаметром — НА". Первая сопряженная глубина прыжка и положение сжатого сечения находятся ниже по течению от выходного сечения трубы, причем Тъ' < (с1 + 5)соза (5 — толщина стенки трубы; а — угол наклона трубы к горизонту). За параметр бурности потока принята условная величина, которая названа числом -»2

. Степень затопле-

160

Фруда: Рг, = -=-^¡7

в К ния прыжка с,А =

К

Характеристики опытов, проведенных для однотрубчатого сооружения при перепадах между каналами в 2 и 4 диаметра сбросной трубы, отсутствии гасителей энергии и относительного гладкого русла (в натуре — бетонная поверхность) приведены на рис. 2, 3, 4.

Рис. 1. Схема моделей водосбросов:

й = 10 и 8 см; р/й = 2 и 4; т = 1,5; Ь = 2й

№ 3' 2009

Глубина,

Рис. 2. Глубина в нижнем бъефе при критическом положении прыжка: 1 — Р/<1 = 2 о;

2 — р/Л = 4 ФО — Для трапецеидального русла; — для треугольного русла

Рис. 3. Изменение относительного количества движения по уравнениям (1) и (2) вдоль потока при критическом положении прыжка

Пьезометрические напоры на мерных вертикалях определялись при помощи статического отверстия трубки Пито.

В случае трапецеидального русла измерения проводились на вертикалях на оси канала, в 1/4 его ширины по дну, в точке перелома контура русла и посередине откоса (на семи вертикалях в створе). В треугольном русле мерных вертикалей в створе было от пяти до трех. Измерения в каждом опыте проведены в 5...6 створах на участке длиной в 20...40 критических глубин (от 15 до 35 диаметров трубы для различных Кга),

считая от выходного сечения трубы.

Измерение пьезометрических напоров на мерных вертикалях показало, что распределение давлений (даже при больших значениях КгЛ значительно

а7

отличается от гидростатического закона в створах, расположенных не далее 10...12 диаметров трубы от ее выходного сечения. Это наблюдалось в обоих руслах и при обоих перепадах в пределах центральной части потока. Уже в точках сопряжения дна с береговым откосом (а в треугольном русле — посередине откоса) распределение давлений

(вв|

№ 3' 2009

Рис. 4. Влияние затопления прыжка на длину участка рассеяния энергии в трапецеидальном русле при = 1,72 и р/й = 4. Кривая АВ для предельных значений по уравнению (1)

было близко к гидростатическому. Затопление прыжка не способствовало выравниванию эпюр давлений, даже наоборот, возмущения, отклоняющие давление от гидростатического закона, распространялись на большую область потока в его центральной зоне, что связано с более активным расширением выходящей из трубы струи.

Наибольшее влияние на изменение величины относительного количества движения вдоль потока оказывает перепад между каналами, тогда как

расход влияет на эту энергетическую характеристику в значительно меньшей степени (см. рис. 3).

При перепаде Р/й = 4 затухание производимых прыжком возмущений наступает не ближе 45 критических глубин от выходного сечения трубы, тогда как при перепаде Р/й = 2 длина этого участка равна около 40Нк. Сокращение перепада в два раза уменьшает длину участка диссипации избыточной энергии всего на 11 % . Как видно из полученных результатов, пропускаемый

№ 3' 2009

(¡9

через трубу расход оказывает незначительное влияние на изменение величины относительного количества движения. В условиях трапецеидального русла увеличение расхода более чем в 4 раза повышает в каждом створе величину а0/[^2 (р + ш)] на 10...12 %. Это при критическом положении прыжка, а при его затоплении

=1,15...1,20) величина а0/[^2(р + т)] при том же увеличении расхода возрастает всего на 2. 5 % , причем большой рост наблюдается в створах вблизи от выходного сечения трубы. Для треугольного русла порядок изменения величин а0/^2 от перепада, расхода и затопления прыжка примерно тот же самый.

Влияние затопления прыжка на длину участка диссипации энергии в обоих руслах определялось при всех значениях БТ^. При постоянном расходе затопление прыжка резко сокращает как величину количества движения в каждом створе, так и длину участка диссипации энергии. Для определения этой длины удобно пользоваться полулогарифмической системой координат (см. рис. 4). Для приведенного на рис. 4 примера при ^ = 1,58 длина участка диссипации энергии сокращается на 30 % по сравнению с критическим положением прыжка. Соединяя предельные

<х„

значения величины тт

1,05

$2ф + т) % (р2 + т) для каждого затопления, получаем кривую, показывающую зависимость предельной длины участка диссипации энергии от степени затопления прыжка (кривая АВ на рис. 4).

Выводы Длина участка диссипации избыточной энергии потока, выходящего в трапецеидальный канал из трубы, не менее 15 диаметров (в канале Ь = 2й и т = 1,5) при условии, что труба работает полным сечением и прыжок находится в критическом положении, т. е. прыжок начинается непосредственно за выходным сечением трубы, равняется 10. 14 критическим глубинам или 4... 8 диаметрам трубы при горизонтальном расположении трубы: (40...42)Кк или около 30й при геометрическом перепаде Р/й = 2 (45...50)К , или около

35d при перепаде P/d = 4.

В треугольном русле (m = 1,5) длина того же участка равна (20...22)d при перепаде P/d = 2 и (20...22)d при перепаде P/d = 4.

Длина участка крепления русла находится в прямой зависимости от длины участка диссипации избыточной энергии. При отсутствии специальных гасителей энергии за трубой крепление русла следует доводить до створов, где начинается выполаживание кривых

а0

ТГТп ч и а„ДД т. е. не менее полови-^ (Р + ш) 0/ ъ

ны длины участков диссипации энергии при наибольшем расходе и при работе трубы полным сечением. Крепление следует оканчивать в створах, отстоящих от выхода из трубы на (20...24 )кк в случае P/d = 2 и (25...27)Лк и при P/d = 4. В треугольных руслах вполне достаточно крепить русло при указанных перепадах на длину в (10.12) диаметров трубы.

Затопление прыжка в пределах

= (1,5...2,0) сокращает длину участка диссипации избыточной энергии потока на 35.45 %, перепад между каналами и глубину воды в бьефах следует назначать по условию невозможности образования вихревых шнуров на входе в трубу, поскольку это приводит к изменению режима работы водосброса, уменьшению его пропускной способности и нестационарному движению в обоих бьефах.

Список литературы

1. Коваленко, П. И. Мелиоративные гидротехнические сооружения [Текст] / П. И. Коваленко, А. М. Тугай. — Киев, 1974. — 128 с.

2. Кумин, Д. И. О рассеянии энергии в нижнем бьефе и его влияние на выбор длины креплений [Текст] / Д. И. Кумин // Изв. ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева. — Т. 46. — 1951. — С.

Материал поступил в редакцию 27.02.09. Беглярова Эвелина Суреновна, профессор кафедры «Комплексное использование водных ресурсов»

Тел. 8 (495) 976-21-56

Джилали Кахл-Еррас, кандидат технических наук

Хайруллин Ренат Аббясович, аспирант кафедры «Комплексное использование водных ресурсов»

90

№ 3' 2009