CC BY
7Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(19), 2015 г., [159-170] УДК 532.542 А. А. Гайсин
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, Москва, Российская Федерация
СПОСОБ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
РЕГУЛЯТОРОВ РАСХОДА
Целью исследований было совершенствование формы концевого участка гидродинамического регулятора расхода по нижнему бьефу с целью увеличения диапазона регулирования по напорам. Предложена усовершенствованная конструкция гидродинамического регулятора расхода, предусматривающая применение в качестве концевого участка прямоугольного диффузора со степенью расширения 4, с углами горизонтального и вертикального расширения 30° и 5° соответственно, при наличии направляющих лопаток. Исследование новой конструкции проводилось с использованием экспериментального, численного и теоретического методов исследований. Моделирование свободной поверхности течения произведено с использованием двухфазного взаимодействия Volume of Fluid с гравитационной составляющей; двухфазная среда рассматривалась как однофазная текучая среда, свойства которой изменяются согласно объемной доле каждой из присутствующих фаз. Модель турбулентности, используемая в расчетах, основана на решении осредненных уравнений Рейнольдса. Турбулентность моделировалась со стандартным набором констант. С целью верификации полученных результатов при численном моделировании течения жидкости проведен физический эксперимент в зеркальном гидравлическом лотке. Лабораторным экспериментом подтверждена правильность численного моделирования, а также выбор базового размера расчетной сетки. Проведенный анализ результатов по трем методам исследований показал, что полученные значения хорошо согласуются друг с другом с погрешностью менее 5 %. Предельное значение относительного коэффициента расхода транзитного потока, соответствующее выравниванию горизонтов воды в камере слияния и нижнем бьефе, составляет ц'пред. = 0,77, что соответствует отношению управляющего и транзитного расходов 0,11, то есть снижению пропускной способности на 23 %. Диапазон регулирования по напорам увеличен на 10,5 % по сравнению с конструкциями регуляторов расхода, предложенными С. И. Хусни.
Ключевые слова: трубчатый водовыпуск, гидротехнические сооружения, гидродинамический регулятор, диффузор, направляющие лопатки, степень расширения.
А. А. Gaysin
Russian State Agricultural University named after K. A. Timiryazev, Moscow, Russian Federation
METHOD FOR IMPROVING HYDRODYNAMIC FLOW
REGULATORS
The aim of the research is to improve the shape of the end site of hydrodynamic flow regulator in downstream for enlarging the range of pressure regulation. The improved design of hydrodynamic flow regulator was proposed. The design provides for applying as an end site of the rectangular diffuser with expansion ratio 4, angles of horizontal and vertical expansion 30° and 5° respectively in the presence of guide vanes. The study of the new construction was carried out by using experimental, numerical, and theoretical research methods. Simula-
tion of free stream surface was done using two-phase interaction in Volume of Fluid method with gravitation term. Two-phase media was considered as single-phase fluid which properties varying according to volume portion of each phase presented. The model of turbulence used for calculations was based on the solution of averaged Reynolds equations. Turbulence was simulated by the standard set of constants. To verify obtained results by numerical simulation of fluid flow physical experiment was carried out in mirror hydraulic tray. The correctness of numerical simulation was proved by laboratory experiment, as well as the choice of basic size of calculating net. The result analysis made by three experimental procedures has shown that obtained values have good agreement to each other with an error less than 5 %. Limit value of relative coefficient of transient flow discharge, satisfied to alignment of water level in a fusion chamber and downstream, is equal to 0.77 which is satisfied the ratio 0.11 of driven and transient discharge that is the decreasing of capacity by 23 %. The range of pressure regulation was increased by 10.5 % comparing to construction of flow discharge proposed by S. I. Khusni.
Keywords: drawoff culvert, hydraulic facilities, hydrodynamic flow regulator, diffuser, guide vanes, expansion ratio.
Введение. В рамках федеральной целевой программы «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы»1 к приоритетным задачам относится достижение экономии водных ресурсов за счет повышения коэффициента полезного действия мелиоративных систем. При этом одним из важнейших целевых индикаторов является ввод в эксплуатацию мелиорируемых земель за счет реконструкции, технического перевооружения и строительства новых устройств автоматического регулирования расхода воды.
В автоматизации подачи воды на открытых каналах ведущая роль принадлежит регуляторам расхода, использующим гидромеханический принцип работы. Вопросам автоматизации водоподачи при помощи гидромеханических регуляторов посвящен ряд работ Я. В. Бочкарева, В. Н. Коржова, Ю. А. Свистунова, В. Н. Щедрина и др. [1-4]. Существенными проблемами гидромеханических компоновочных схем регулирования расхода на оросительных каналах являются сложность балансировки, засорение и отказы водорегулирующих каналов и датчиков уровня, протечки в закрытом состоянии при сложных эксплуатационных условиях ра-
1 Постановление Правительства РФ от 12.10.2013 № 922 (ред. от 15.01.2015) «О федеральной целевой программе «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы».
боты затворов [5].
С целью исключения подвижных механических элементов и датчиков из процесса регулирования П. Е. Лысенко был предложен принцип гидродинамического регулирования пропускной способности трубчатых водопропускных сооружений. Экспериментально он был подтвержден исследованиями С. И. Хусни [6]. Анализ результатов исследований гидродинамических регуляторов расхода с подачей управляющего потока со стороны нижнего бьефа показал, что предложенные конструкции регуляторов расхода гидродинамического действия имели небольшой диапазон регулирования, то есть отношение уровней воды ниже створа перегораживающего сооружения при минимальном и максимальном водопотреблении.
Целью работы стало совершенствование формы концевого участка гидродинамического регулятора расхода по нижнему бьефу, позволяющее увеличить диапазон регулирования по напорам.
Материал и методы исследования. Исследования гидродинамических регуляторов различной конструкции, выполненные В. Л. Снежко в лаборатории гидравлики и комплексного использования водных ресурсов, позволили установить, что основным фактором, влияющим на диапазон регулирования, является степень расширения диффузора: чем выше ее значение, тем больше предел регулирования [5].
На основании предварительных расчетов и результатов лабораторных исследований [7] была предложена усовершенствованная конструкция регулятора расхода гидродинамического действия (рисунок 1).
Процесс регулирования завершится, когда уровень нижнего бьефа достигнет своего максимального значения, соответствующего минимальному водопотреблению что должно соответствовать выравниванию горизонта воды в нижнем бьефе и камере слияния. Получается, что диапазон регулирования по напорам ограничен выравниванием горизонта воды в нижнем бьефе и камере слияния. В предложенной конструкции регуля-
тора расхода (рисунок 1) отношение площади входного сечения камеры слияния к площади входного сечения управляющего потока юкам/ю = 1.
ид
8
485
л - Щ '.. 7 ^ -I% А • *> 9 .. л
ЧНВ/тщ
^ун&т
3_у тщму \т упр.
а
б
а - расчетная схема; б - схема гидравлической модели; 1 - входной оголовок регулятора; 2 - головной затвор (в процессе регулирования не участвует, предназначен для полного перекрытия водоподачи); 3 - водопроводящая труба; 4 - камера слияния; 5 - прямоугольный диффузор; 6 - водосливная кромка подачи управляющего расхода q;
7 - направляющие лопатки; 8 - наддиффузорное пространство
Рисунок 1 - Усовершенствованная конструкция регулятора расхода
гидродинамического действия
При таком соотношении геометрических параметров камеры слияния предельная величина диапазона регулирования определяется высотой слоя перелива через водослив АН рег, обращенный в сторону нижнего бьефа [5]:
АН рег = ^0®1
1
Н
•(1-Кпред.),
(1)
где - коэффициент расхода водовыпуска без регулирования (при отсутствии регулирующего потока);
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(19), 2015 г., [159-170] ю1 - площадь сечения трубы перед диффузором, м2;
Н0 - перепад между бьефами при максимальном водопотреблении, м;
юк - площадь живого сечения канала, м2;
Вк - ширина канала по урезу воды, м;
^'пред - относительный коэффициент расхода при минимальном транзитном расходе.
По результатам лабораторных исследований, проведенных в гидравлическом лотке, коэффициент расхода гидродинамического регулятора расхода при отсутствии потока регулирования = 0,95.
В настоящее время процесс оптимизации конструктивных элементов сооружений желательно проводить при помощи гидродинамического компьютерного моделирования. Без использования численного моделирования исследование потребует несопоставимо больших затрат на проведение серий лабораторных испытаний для доведения конструкции до приемлемого уровня. Осуществление модельных лабораторных исследований обязательно для верификации результатов численного моделирования как завершающий этап создания усовершенствованной конструкции регулятора расхода.
Численный эксперимент проводился в CFD-системе STAR-CCM+, твердотельная 3D-модель гидродинамического регулятора расхода усовершенствованной конструкции была создана в САО-системе SolidWorks.
Моделирование турбулентного течения в численном эксперименте осуществлялось с помощью модели турбулентности на основе осреднен-ных по Рейнольдсу уравнений Навье - Стокса. Система уравнений Рей-нольдса является незамкнутой в связи с наличием неизвестных рейнольд-совых напряжений, замыкание системы уравнений производится с использованием к-е модели турбулентности [8]. Стандартная к-е модель турбулентности состоит из двух уравнений модели, в которой транспортные уравнения решаются для кинетической энергии турбулентности и скорости
ее диссипации. В данной работе была использована модель турбулентности, хорошо зарекомендовавшая себя при проведении численного моделирования течения в гидродинамических стабилизаторах расхода [9].
Моделирование свободной поверхности течения производилось с использованием метода VOF (Volume of fluid method) с гравитационной составляющей. В модели VOF двухфазная среда рассматривается как однофазная текучая среда, свойства которой изменяются согласно объемной доле каждой из присутствующих фаз [10].
Граничным условием было принято гидростатическое давление для входного и выходного сечений экспериментальной модели, а результатом сходимости задачи являлся установившийся уровень воды в моделируемом лотке, симулирующем отводящий канал, при неизменяющихся скоростях по длине сооружения. Также граничными условиями являлись скорости на внутренних стенках модели, которые принимались равными нулю, и абсолютная шероховатость всех поверхностей.
Программный комплекс STAR-CCM+ для получения дискретных аналогов исходных непрерывных уравнений использует метод конечных объемов [9]. Твердотельная SD-модель регулятора разбивалась автоматическим сеткопостроителем на совокупности конечных объемов, для каждой из которых составляются дискретные аналоги непрерывных уравнений.
Для выбора оптимальных параметров расчетной сетки моделируемого регулятора расхода производились методические экспериментальные исследования сеточной сходимости, при значениях базового размера ячейки 2,5 мм решение изменялось незначительно. Дальнейшее моделирование течения проводилось на указанной сетке (рисунок 2).
С целью верификации полученных результатов при численном моделировании был проведен физический эксперимент в зеркальном гидравлическом лотке в лаборатории кафедры гидравлики и комплексного использования водных ресурсов института природообустройства им. А. Н. Костя-
кова. Статистическая обработка результатов измерений производилась согласно требованиям ГОСТ Р ИСО 5725 . Предельная относительная суммарная ошибка (систематическая и случайная) с вероятностью 0,95 не превышала для расходов 1,8 %, для давлений 1,0 %, для скоростей 4,4 %, для коэффициентов местного сопротивления 3,3 %.
Рисунок 2 - Расчетная сетка гидродинамического регулятора расхода
Подобие напорных потоков обеспечивается равенством коэффициента гидравлического трения X модели и натуры Хм = Хн [10]. При турбулентном течении в напорных трубопроводах коэффициент гидравлического трения, входящий в формулу Дарси - Вейсбаха, зависит от двух безразмерных параметров: числа Рейнольдса Ке=- и относительной шерохо-
V
ватости —-, где Аэ - эквивалентная равномерно-зернистая абсолютная
2 ГОСТ Р ИСО 5725-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений.
шероховатость. Диапазон чисел Рейнольдса в эксперименте составлял Re = 1,2 • 105 ^ 1,4 • 105, что соответствует автомодельной области. Эквивалентная абсолютная гидравлическая шероховатость органического стекла, используемого в лаборатории, равнялась Аэ = 0,03мм [11]. Для бетонных поверхностей и поверхностей, выполненных в стальной или деревянной опалубке с затиркой поверхности, значение А э = 0,30 мм [12], следовательно, для исследования гидродинамических регуляторов расхода, изготавливаемых в натуре из железобетона, масштаб моделирования геометрических размеров, перепадов горизонтов воды в верхнем и нижнем бьефе и давлений принимался равным 1:10.
В формуле (1) прослеживается зависимость диапазона регулирования по напорам от стеснения в камере слияния живого сечения транзитного потока с потоком управления: чем меньше значение относительного коэффициента расхода при минимальном транзитном расходе, тем больше диапазон регулирования [5]. Теоретическое значение относительного коэффициента расхода транзитного потока определяется по формуле [5]:
Кс 1
= , „ г: , , , ч, (2)
0
Спх -(1+т )2 + т[(2+т X, +(1+т )• Аа ]
^т.с + С д
где - коэффициент расхода транзитного потока, вычисленный по входному сечению камеры слияния;
- коэффициент расхода водовыпуска без подачи расхода регулирования, вычисленный по входному сечению камеры слияния;
- коэффициент сопротивления транзитного потока на проход в камере слияния;
т - отношение управляющего потока к транзитному, т = q/Q;
- коэффициент сопротивления при выходе потока в нижний бьеф, был определен нами в предыдущих исследованиях [13];
Аа - разница между коэффициентами Кориолиса двух потоков;
- коэффициент сопротивления транзитного водовода до камеры слияния.
Коэффициенты сопротивления определялись по справочнику для расчетов гидравлических и вентиляционных систем [14].
Результаты исследования. Сопоставление лабораторных, численных и теоретических [по формуле (2)] значений относительного коэффициента расхода транзитного потока приведено на рисунке 3 и в таблице 1.
1,2 ----т--1
0,4
0..2-----
0 -----
0 0,02 0,04 0,Ой 0,08 0,1 0.12
т
о Экстернат + £ТАР:-СММ+ -Iсорстнчсскисзначения
Рисунок 3 - Относительный коэффициент расхода транзитного потока в регуляторе
Таблица 1 - Результаты физического эксперимента, численного моделирования и теоретических расчетов
Физический эксперимент Численный эксперимент Теоретический расчет
т ? Ц т ? Ц т ? Ц
0 1 0 1 0 1,00
0,044 0,859 0,036 0,845 0,040 0,861
0,058 0,833 0,055 0,847 0,047 0,842
0,071 0,814 0,061 0,845 0,056 0,823
0,082 0,792 0,074 0,786 0,074 0,791
0,112 0,771 0,104 0,774 0,114 0,772
Анализ результатов (таблица 1) позволяет сделать вывод, что полученные по трем методам исследования значения хорошо согласуются друг с другом с погрешностью менее 5 %. Предельное значение относительного коэффициента расхода транзитного потока, соответствующее выравнива-
нию горизонтов воды в камере слияния и нижнем бьефе, составляет ц'пред = 0,77, что соответствует отношению управляющего и транзитного
расходов 0,11, то есть снижению пропускной способности на 23 %.
В гидродинамических регуляторах расхода, рассмотренных в работе С. И. Хусни, максимальное снижение пропускной способности сооружения при прямоугольном диффузоре со степенью расширения п1 = 2,25, углами горизонтального и вертикального расширения у = 6° и а = 5°, углами подачи управляющего потока в = 90° составляло при т = 0,105 ц'пред =
0,85, то есть 15 % [6]. В результате совершенствования концевого участка диапазон регулирования по напорам увеличился на 10,5 % по сравнению с существующими гидродинамическими регуляторами. Ввиду того, что процент увеличения диапазона регулирования получился не столь значительным, дальнейшие исследования будут направлены на усовершенствование конструкции предложенного гидродинамического регулятора расхода. Выводы
1 Проведенные исследования показали, что для гидродинамических регуляторов расхода с точностью до 5 % в нашем случае возможно применение численного моделирования течения жидкости в программном комплексе STAR-CMM+.
2 Проведенный анализ результатов по трем методам исследований показал, что полученные значения хорошо согласуются друг с другом с погрешностью менее 5 %. Предельное значение относительного коэффициента расхода транзитного потока, соответствующее выравниванию горизонтов воды в камере слияния и нижнем бьефе, составляет ц'пред = 0,77, что
соответствует отношению управляющего и транзитного расходов 0,11, то есть снижению пропускной способности на 23 %.
3 Изменения, внесенные в конструкцию регулятора расхода, в виде направляющих лопаток позволили увеличить диапазон регулирования
по напорам на 10,5 % по сравнению с конструкцией без направляющих лопаток, предложенной С. И. Хусни. Список литературы
1 Бочкарев, Я. В. Эксплуатация, гидрометрия и автоматизация оросительных систем: учеб. пособие для системы Госагропрома СССР / Я. В. Бочкарев. - М.: Агро-промиздат, 1987. - 172 с.
2 Коржов, В. И. Информационно-технологическое обеспечение водопользования на оросительных системах / В. И. Коржов. - Ростов н/Д.: Изд-во журн. «Известия вузов. Северо-Кавказский регион», 2006. - 127 с.
3 Свистунов, Ю. А. Авторегуляторы для рисовых оросительных систем / Ю. А. Свистунов. - Краснодар: Изд-во КГАУ, 1996. - 52 с.
4 Щедрин, В. Н. К вопросу определения веса жестких щитов для мягких регуляторов комбинированного типа / В. Н. Щедрин, Н. Ф. Луговой // Гидротехнические сооружения мелиоративных систем. - Новочеркасск, 1976. - Т. XVII, вып. 6. - С. 29-32.
5 Снежко, В. Л. Гидродинамическое регулирование расхода низконапорных водопропускных гидротехнических сооружений: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.16; 05.23.07 / Снежко Вера Леонидовна. - М., 2012. - 47 с.
6 Хусни, С. И. Совершенствование конструкций регулирующих сооружений на оросительных каналах с применением гидродинамического саморегулирования: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.16 / Хусни Санал Ибрагим. - М., 1993. - 24 с.
7 Снежко, В. Л. Оптимальные участки диффузоров гидродинамических регуляторов расхода на открытых каналах / В. Л. Снежко, А. А. Гайсин // Вестник ВСГУТУ. -2014. - № 2. - С. 28-32.
8 Аникеев, А. А. Основы вычислительного теплообмена и гидродинамики: учеб. пособие / А. А. Аникеев, А. М. Молчанов, Д. С. Янышев. - М.: ЛИБРОКОМ, 2010. - 149 с.
9 Снежко, В. Л. Численное и физическое моделирование при изучении напорных водопропускных сооружений в гидротехнике / В. Л. Снежко, Д. М. Бенин // Наука и бизнес: пути развития: науч.-практ. журн. - 2013. - № 2. - С. 31-37.
10 Руководство пользователя 8ТАЯ-ССМ+ версии 6.04 (перевод документации CD-adapco) [Электронный ресурс]. - Саров: Саровский инженерный центр, 2011. -280 с. - Режим доступа: http:saec.ru/products/cd-adapco/star-ccm/user-guide.
11 Палиивец, М. С. Оценка влияния шероховатости и геометрических параметров напорного водовода на величину местного сопротивления узла / В. Л. Снежко, М. С. Палиивец // Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России: материалы междунар. науч.-практ. конф. - М.: МГУП, 2009. -Ч. II. - С. 111-115.
12 Слисский, С. М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений: учеб. пособие для вузов / С. М. Слисский. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -304 с.
13 Гайсин, А. А. Методы предотвращения сбойных течений в коротких диффузорах с большим углом расширения / А. А. Гайсин, В. Л. Снежко // Научное обозрение. - 2014. - № 8. - С. 89-93.
14 Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем / И. Г. Грачев, В. М. Низовцев, С. Ю. Пирогов, Н. П. Савищенко, А. С. Юрьев; под ред. Н. П. Юрьева. - СПб.: АНО НПО «Мир и семья», 2001. - 1154 с._
Гайсин Айнурт Альбертович
Должность: аспирант
Место работы: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Российский государственный аграрный университет - Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева»
Адрес организации: ул. Прянишникова, 19, г. Москва, Российская Федерация, 127550 E-mail: ainurt.g@yandex.ru
Gaysin Aynurt Al'bertovich
Position: Postgraduate student
Affiliation: Russian State Agricultural University named after K. A. Timiryazev, Moscow, Russian Federation
Affiliation address: st. Pryanishnikova, 19, Moscow, Russian Federation, 127550 E-mail: ainurt.g@yandex.ru
