CC BY
9
Хвойные бореальной зоны. XXXVI, № 2, 2Q18
УДК 532.5.013
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 2. С. 153-155
УРАВНЕНИЕ НЕРАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА ПРИ УСТАНОВКЕ ЛЕСОЗАДЕРЖИВАЮЩЕЙ ЗАПАНИ ПЕРЕД ПЛОТИНОЙ ГЭС
В. П. Корпачев, А. И. Пережилин, А. А. Андрияс
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: ivr@sibgtu.ru
При установке в русле водного потока искусственных сооружений, изменяются гидравлические характеристики потока. Таким сооружением могут быть лесозадерживающие запани, устанавливаемые в русле реки для задержания древесины и запани на водохранилищах ГЭС для задержания древесной массы, поступающей к гидроузлу. Установка запани и формирование пыжа изменяет естественный режим течения: уменьшается живое сечение потока, увеличиваются скорости потока, возникает дополнительное сопротивление движение потока вследствие появления дополнительной шероховатости тела пыжа, создается подпор от пыжа и т. д. Таким образом, после установки запани и формировании пыжа в потоке наблюдается неравномерное движение. Представлен вывод общего дифференциального уравнения установившегося плавно изменяющегося неравномерного движения в естественном открытом русле при установке в нем лесозадерживающей запани. Полученное решение позволяет определять параметры кривой подпора уровня воды, которые необходимы при проектировании гидротехнических сооружений.
Ключевые слова: водохранилище, поток, неравномерное движение, лесозадерживающая запань.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 2, P. 153-155
IRREGULAR MOTION EQUATION OF THE FLOW IN THE FOREST BOOM INSTALLATION IN THE RESERVOIR HPS
V. P. Korpachev, A. I. Perezhilin, A. A. Andriyas
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: ivr@sibgtu.ru
Due to installing in a water flow stream artificial structures, the hydraulic flow characteristics are changed. Such construction can be forest booms, installed in the riverbed for the detention of wood and forest booms on the reservoirs HPS to detain the wood pulp coming to the hydroelectric complex. The installation of the forest boom and the wood wad formation changes the natural flow regime: the living cross-section of the flow decreases, the flow rates increase, additional flow resistance arises due to emersion of an additional roughness of the body of the wood wad, created a backwater from the wood wad, etc. Thereby, after the installation of the forest boom and the formation of a wood wad in the flow, irregular motion is observed. The article presents the derivation of the general differential equation of stationary smooth changing irregular motion in a natural open channel with the installation of a forest boom. The obtained solution makes it possible to determine the parameters of the curve of the backup water level, which are necessary for the hydraulic design.
Keywords: reservoir, flow, irregular motion, forest boom.
ВВЕДЕНИЕ
При установке в русле водного потока искусственных сооружений, изменяются гидравлические характеристики потока. Таким сооружением могут быть лесозадерживающие запани, устанавливаемые в русле реки для задержания древесины и запани на водохранилищах ГЭС для задержания древесной массы, поступающей к гидроузлу.
Установка запани и формирование пыжа изменяет естественный режим течения: уменьшается живое сечение потока, увеличиваются скорости потока, воз-
никает дополнительное сопротивление движение потока вследствие появления дополнительной шероховатости тела пыжа, создается подпор от пыжа и т. д. Таким образом, после установки запани и формировании пыжа в потоке наблюдается неравномерное движение. Кроме того, скорость течения, ветро-волновой нагон, непредвиденный увеличенный приток воды в водохранилище вызывают подъем уровня воды в приплотинной зоне водохранилища, что вызывает непредвиденное при проектировании водохранилища затопление береговой зоны.
Корпачев В. П., Пережилин А. И., Андрияс А. А. Уравнение неравномерного движения потока при установке ...
В связи с этим, при проектировании гидротехнических сооружений и установке в потоке лесозадер-живающей запани необходимо определять параметры кривой подпора уровня воды.
Для вывода уравнения неравномерного движения при установке запани перед плотиной ГЭС с использованием уравнения Бернулли.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Выведем уравнение неравномерного установившегося движения потока с пыжом. Выделим сечениями
1-1 и 2-2 участок потока с уклоном I > 0, длиной ¿1 (см. рисунок). Сечение 1-1 выбрано для бытового состояния потока, т. е. до установки запани, сечение
2-2 - в месте установки запани.
Запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 относительно плоскости сравнении 0-0:
2б + К +
аб иб 2 g
+ к + аип + ¿К
2 g
(1)
где кб, иб - глубина и скорость потока в бытовом состоянии; кп , ип - глубина и скорость потока после установки запани; 2б, 2п - положение рассматриваемых сечений потока относительно плоскости сравнения; ¿к« - потери напора (энергии) на расстоянии ¿1;
аб, ап - безразмерный коэффициент, представляющий отношение действительной кинетической энергии потока к энергии, вычисленной по средней скорости [1; 3].
Разделив члены уравнения (1) на ¿1, и, сделав преобразования, получим:
¿1
К - Кб ¿1
Г 2 а_и_
аи
биб
2 g
+ (2) ¿1
¿1
= I,
(5)
где I, 1п, I - уклон дна, пьезометрический и гидравлический уклоны.
Значение гидравлического уклона (5) может быть определено из уравнения Шези [2], предполагая, что поток находится в состоянии равномерного движения:
(6)
с2я сМ
где Сп - опытный коэффициент Шези для потока с пыжом;
ш.
ш,
Е = Яб =^1,
Хп Хб
где Яп, шп, Яб , шб - гидравлический радиус, площадь живого сечения потока с пыжом и в бытовом состоянии; хп, Хб - смоченные периметры потока с пыжом и в бытовом состоянии.
При этом необходимо отметить, что в рассматриваемом случае, в отличие от равномерного движения, гидравлические элементы потока и, С, Я являются величинами переменными по длине потока.
Введя обозначения В = —^
получим
Q2 тВ2 С2 Е Ш
—, т = — в формулу (6).
«п Яп
(7)
В уравнении (2) изменение кинетической энергии может быть представлено следующим образом:
В этом уравнении
-
¿1
= ят В = /,
Кп - Кб = ¿К = 1 ¿1 ¿1 п
(3)
(4)
^а и2
аб иб
2 g
2
а_и
2 g
2 g «п
.2 Л
2^2
а ПР2 О 2 g «2
(8)
Хвойные бореальной зоны. XXXVI, № 2, 2018
Учитывая, что ю= / ((, к), запишем выражение (8) в частных производных
П 1 (* П I / I Г/П1- ПП I
(9)
апР Q. d dl
2 g ю2
апР2е2 (авб_ + Bdh
б J
dl
dl
где B =-
d ю dh
ширина потока по урезу воды.
Подставим выражения (3), (4), (7), (9) в уравнение
Пк
(2) и решим его относительно —, получим:
П1
Q2
dh СХюп
dl
f mp2 апР2^пRп ^б ^ dl
i-апМн
Еюб
(10)
2. При известных геометрических параметрах русла и пыжа, характеристик потока можно составить алгоритм расчета кривой свободной поверхности в верхнем бьефе лесозадерживающей запани, используя полученное в общем виде дифференциальное уравнение (10) неравномерного движения водного потока в месте установки запани.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Мучник С. Я. Исследование внешних сил, действующих на лесозадерживающую наплавную запань : сб. тр. ЦНИИлесосплава. Л., 1940. С. 55-108.
2. Чугаев Р. Р. Гидравлика. Л. : Энергоиздат, 1982. С. 172-179.
3. Корпачев В. П. Теоретические основы водного транспорта леса : монография. М. : Изд-во «Академия естествознания», 2009. 237 с.
Уравнение (10) является общим дифференциальным уравнением установившегося плавно изменяющегося неравномерного движения в естественном открытом русле при установке в нем лесозадержи-вающей запани.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В случае установки запани в призматическом
русле
d юб "dl
= 0 и тогда уравнение (10) преобразуется
к виду:
dh
g2p2 m C2R ю2
п п п
dl
i-ОМ в'
(11)
g(4
REFERENCES
1. Muchnik S. Ya. Issledovaniye vneshnikh sil, deystvuyushchikh na lesozaderzhivayushchuyu naplav-nuyu zapan' : sb. tr. TSNIIlesosplava. L., 1940. S. 55108.
2. Chugayev R. R. Gidravlika. L. : Energoizdat, 1982. S. 172-179.
3. Korpachev V. P. Teoreticheskiye osnovy vodnogo transporta lesa : monografiya. M. : Izd-vo "Akademiya estestvoznaniya", 2009. 237 s.
© Корпачев В. П., Пережилин А. И., Андрияс А. А., 2018
Поступила в редакцию: 10.08.2017 Принята к печати: 28.04.2018
