CC BY
132. Рахматулин Х.А., Мирхамидова Х.Б. Гидравлический удар в трубах круглого сечения при движении многофазных сред. - Изв. АН УзССР, cер. техн. наук: Механика, 1970, № 5, с. 27...30.
3. Арифжонов А.М., Жонкобилов У.У. Гидравлический удар в однородных и газожидкостных напорных трубопроводах. Монография. Тошкент, ТИИИМСХ, 2018. -142 с.
5. Алышев В.М. Исследование формирования и распространения импульсов давления в водоводах. Отчет НИС МГМИ по хоздоговорной теме № 21- 10.- М.,1982. - 115 с.
6. Evangelisti G. Waterkammer analysis by the Method of characteristics. - L'Energia, Elektrica/ -Milano, 1969, v. 86, № 42, p.839-858.
7. Jonkobilov U., Jonkobilov S., Rajabov U., Bekjonov R., Norchayev, A. Shock wave velocity in two-phase pressure flow. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. 1030. Pp. 012129. DOI:10.1088/1757-899X/1030/1/012129.
8. Arifjanov A.M., Jonkobilov U. U., Jonkobilov S.U., Bekjonov S. R. The Hydraulic Impact Wave Propagation Speyed Study in a Two-Phase Flow. International Journal for Innovative Engineering and Management Research Vol 09 Issue11, Nov 2020 ISSN 2456 - 5083 www.ijiemr.orgVolume 09, Issue 11, Pages: 94-100.
9. Дикаревский В.С. Водоводы. Монография. Труды РААСН. строительные науки.т.3 -М.: РААСН, 1997. - 200 с.
10. Дикаревский В.С., Капинос О.Г. Водоснабжение и водоотведение. -С-б.: ПГУПС, 2005.-155с.
11.Лямаев Б.Ф., Небольсин Г.П., Нелюбов В.А. Стационарные и переходные процессы в сложных гидросистемах. Методы расчета на ЭВМ. - Л., Машиностроение, 1978. - 192 с.
12. Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося движения в трубопроводах (пер. с англ.). - М., Энергоиздат, 1981. - 247 с.
13. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.,1984 - 831 с.
14. Жонкобилов У.У. Жонкобилов С.У. Экспериментальное исследование коэффициента политропы при гидравлическом ударе с воздушно-водяном потоком. Журнал «Архитектура. Строительства. Дизайн», Ташкент, №4, 2019. - С.193-195.
УДК № 621.224 Уралов Б.Р., Хазратов А.Н., Саидов И.Э. Норчаев А.Ж.
ВЛИЯНИЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ РУСЛА ДЕРИВАЦИОННЫХ КАНАЛОВ НА МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ НАПОР ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Уралов Б.Р. - к.т.н., доцент (ТИИИМСХ), Хазратов А.Н. - д.ф.т.н.; Саидов И.Э. - старший преподаватель; Норчаев А.Ж. - ассистент (КарИЭИ)
Ушбу мацолада деривацион каналлар морфометрик элементларининг гидроэлектростанцияларнинг манометрик босимига таъсирини аницлаш буйича тадцицотлар натижалари келтирилган.
Калит сузлар: гидроэлектр станциялари ва бурилиш каналлари, гидроэнергетика иншоотлари, бурилиш каналларининг гидравлик каршилиги, каналнинг морфометрик элементлари, Рейнольдс сони, нисбий гадир-будурлик.
This article presents the results of studies to determine the influence of the morphometric elements of the channel of the diversion channels on the manometric pressure of hydroelectric power plants.
Key words: hydroelectric power plants and diversion canals, hydropower facilities, hydraulic resistance of diversion canals, morphometric elements of the channel, Reynolds number, relative roughness.
Введение. Широко используемые в настоящее время расчетные зависимости для определения коэффициента Шези основываются на предположении о том, что продольные касательные напряжения, действующие со стороны потока на стенки канала, равномерно распределены по смоченному периметру. В настоящей работе намечается исследование потерь напора по длине при безнапорном движении воды в руслах «правильной» формы. Это положение обосновывается наличием целого ряда факторов, отличающих напорное движение жидкости в трубах от безнапорного движения ее в каналах, где имеет место свободная поверхность потока, более широкий диапазон шероховатости дна и стенок канала, иное (чем в трубах) распределение касательных напряжений по смоченному периметру, возможность существования двух различных состояний потока (в зависимости от уклона дна деривационных каналов).
Приведённые в формуле (1),
^ (1г, /2, А, V, ^, р, О,и) = 0 (1)
и введенные в уравнение (1) параметры относятся к трем категориям: -характерные линейные размеры, определяемые граничными условиями (стандартный линейный размер живого сечения потока 11, высота выступов шероховатости А);
-кинематические и динамические характеристики движения (средняя скорость и, сила гидравлического сопротивления Б, сила тяжести О);
-физические свойства жидкости (плотность р, вязкость у).
Зависимости (1) можно придать более определенный вид, сгруппировав все переменные размерные величины в безразмерные комплексы с использованием п - теоремы. Имея в виду, что параметры, полученные в результате анализа размерных величин, характеризующих равномерное течение жидкости в безнапорном русле, представляют собой: коэффициент гидравлического трения X; число Рейнольдса Яе; число Фруда Бг;
относительную шероховатость представить в виде:
А = г
А; параметр формы канала
Г
А А
V 12
К
л
У
к
—. уравнение (1) можно
I
(2)
или
А = г ^ Ф; А; ^; ^
(3)
Г1 \
Где: Ф = / — - функция, зависящая от формы живого сечения канала. Естественно,
V12 У
что отыскание функциональной зависимости коэффициента гидравлического трения от столь большого числа одновременно действующих переменных величин представляет собой трудную задачу. Эти переменные, в зависимости от условий движения жидкости, могут в различной степени влиять на X. Малое количество исследований, выполненных для безнапорных деривационных каналов, не позволяет обоснованно распространить на эти каналы зависимость (4). По-видимому, это может быть установлено только в результате специальных исследований:
А = ДЯе ; А/Я). (4)
Отсюда и возникает необходимость постановки соответствующих систематических опытов с безнапорными каналами на моделях (не больших масштабов).
В соответствии с поставленной задачей, в своё время с 1980 по 2020 гг., в гидравлической лаборатории Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ), и в
лаборатории гидромашины и межкафедральной лаборатории Ташкентского института инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства (ТИИИМСХ), были проведены соответствующие опыты на моделях безнапорных каналов прямоугольного и трапецеидального поперечного сечения. А также для наполнения экспериментальных данных использовались соответствующие серии опытов Базена на моделях безнапорных каналов - прямоугольного, трапецеидального и полуциркульного поперечного сечения с различной шероховатостью.
Методика исследований. Анализ работы деривационных каналов ГЭС в различных режимах, работающих в различных гидравлических условиях и различных значениях к -глубины потока, Я - гидравлического радиуса и х - смоченного периметра живого сечения потока с учетом влияния шероховатости и формы русла на гидравлическое сопротивления деривационных каналов ГЭС, является методом исследования настоящей работы.
Результаты исследования и обсуждения. При движении жидкости в безнапорных каналах, деривационных каналах гидроэнергетических сооружений добавляется ряд факторов, обычно не встречающихся при напорном течение жидкости в трубопроводах (где все живое сечение их заполнено жидкостью); присутствие свободной поверхности, существование в потоке взвешенных материалов, отличие формы поперечного сечения каналов от круглого сечения, существование двух различных состояний потока в зависимости от уклона канала, наличие в безнапорных и деривационных каналах ГЭС, более широкого диапазона шероховатостей и т.д. Если среднюю скорость в канале с другим правильным сечением вычислять обычным уравнением средней скорости, и в этом случае будут иметь почти такой же вид, то можно обнаружить выражения для средней скорости и в этом случае будут иметь почти такой же вид как и выражения, полученные для средней скорости в канале для трапецеидального сечения (уравнения (5) и (6));
у/у = агл -Ь + Ь 1п(Яу,/у) + ЬФ-ку/у (5)
у/у = аш -Ь + Ь 1п(Я/А) + ЬФ-ку/у (6)
только Ф и к в зависимости от геометрии поперечного сечения канала будут изменяться (от сечения к сечению). В виду вышесказанного уравнения (5) и (6) мы вправе считать рациональными уравнениями для определения средней скорости течения в каналах с постоянным сечением и уклоном. Если эти общие уравнения сравнить с соответствующим уравнением для канала бесконечной ширины (рис.1а и рис.1б), то можно видеть, что они
отличаются наличием слагаемых в «Ьф» и ки / и *. Эти члены можно трактовать как отражающие совместное влияние на потери напора наличия свободной поверхности и неоднородного распределения касательных напряжений на дне и стенках канала.
Рис. 1а и 1б. Распределение касательных напряжений: а) в круглых; б) в широких прямоугольных трубах и каналах. С другой стороны указанные общие уравнения (5) и (6) позволяют найти величину той ошибки в определении потерь напора, которая имела бы место при нечете слагаемых «Ьф» и
ку/у *. Член «Ьф» можно вычислить для любой заданной формы поперечного сечения
канала, так как он определяется только его геометрией. Расчет по Келегану [2], [3-4] и по нашему методу показывает, что в каналах треугольного поперечного сечения величина «Ф» не зависит от глубины воды, причем в этом случае Ф=0.19. Для каналов прямоугольного поперечного сечения выражение для «Ф», принимает вид:
ф = ¿и(1 + 2h / Б0)-h / Б0
Для каналов с полукруглым поперечным сечением:
р =
i
ln
У R
BQ <3y
R
1.0
(7)
(8)
Для нахождения величины K вероятно необходимо будет ввести некоторый параметр, выражающий отношение поперечного размера свободной поверхности потока в канале к
смоченному периметру. Весьма возможно, что наилучшим образом K может быть найден из опытов. Однако, как следует из уравнений (5) и (6), перед проведением указанных опытов заранее должны быть определены характеристики дна и стенок канала (так же из опытов -предпочтительно с очень широкими каналами прямоугольного поперечного сечения). По нашему методу и согласно методу Г.Келегана, формулы гидравлического сопротивления для деривационных каналов трапецеидальной формы и других форм правильного поперечного сечения можно представить в виде:
1
1
л/я
1 rAR ^ 1 h
ln --1 + ln -
2 Л
V
S
А
Гл R 4ю
(9)
У
Такое же соотношение получается и по В.Т. Чоу [4] для каналов криволинейного поперечного профиля. В соотношении (9) принято:^ - постоянная Кармана [3]; у = 0.4, ГА -
число Рейнольдса. Для вязкого подслоя ГА = SaV* / V; Sa -толщина вязкого подслоя; h -наполнения канала; £ - функция формы канала в соотношении b(y)=x - ¿y; X - смоченный периметр; а - площадь живого сечения канала. Формула (9) справедлива как для движения
жидкости в гладких (ГА =1/9), так и в шероховатых каналах (ГА =1/30, причем ГА = SА /Аз).
Опыты автора, серия № 3а; трапецеидальный канал; поверхность дна и стенок канала - гладкозатертый бетон; bg= 0,161 м; m = 1,732; i = 1,0*10-3; T=16,20; v= 1,1*10-6 м2/с; Аэ= 5,6*10-4 м
с
Н/х(Лпл/А)л3
Рис.2. Зависимость ^^ = f
я
( ЯпЛ3
Опыты автора, серия № 3 а; трапецеидальный канал; поверхность дна и стенок канала -
гладкозатёртый бетон. Третий и последний члены в этой формуле учитывают влияние формы живого сечения канала на его гидравлическое сопротивление. Однако, в формуле (9) не учитывается в полной мере влияние свободной поверхности на распределение скоростей и потери напора.
0
Имея это в виду и некоторые другие допущения, сделанные при выводе формулы (9), следует полагать, что формула (9) позволяет лишь наметить общий вид членов, определяющих зависимость гидравлического сопротивления деривационного канала от формы его живого сечения. Конкретный же вид, соответствующий зависимости, может быть установлен только из рассмотрения соответствующих экспериментальных данных для безнапорных деривационных каналов ГЭС, при турбулентном движении жидкости.
Опыты автора, серия № 3б; трапецеидальный канал; поверхность дна и стенок канала - гравий; d = 5 - 7 мм; bg = 0,161 м; m = 1,732; i = 1,0* 10-3; T =16,20; V = 1,1*10-6 м2/с; Аз = 5,8* 10-3 м
с
Н/х(Лпл/А)л3
тл п 1ПЛ г
Рис.3. Зависимость-= т
1
( 1плл3
Опыты автора, серия № 3б; трапецеидальный канал; поверхность дна и стенок канала -
гравий ё = 5 - 7 мм.
л п
<<
Опыты автора, серия № 2а; прямоугольный канал; поверхность дна и стенок канала - гравий; ё = 5 -7 мм; В = 1,52; i = 1,0*10-3; Т0 =19,40; V = 1,02*10-6 м2/с; Аз = 7,5*10-3 м
——
К/х(^плД)л3
Рис.4. Зависимость-= Т
1
(1плл 3
Опыты автора, серия № 2а; прямоугольный канал; поверхность дна и стенок канала -
гравий d = 5 -7 мм;
Опыты автора, серия № 1; прямоугольный канал; поверхность дна и стенок канала - гладкозатертый бетон; В = 1,51 м; I = 1,0*10-3; Т=200; у= 1,0 * 10-6 м2/с; Аэ = 7,20 *10-4 м
с
Н/х(Лпл/А)л3
^LTIJI
Рис.5. Зависимость-= f
Л
R / \
Лпл4 3
Л
Опыты автора, серия № 1; прямоугольный канал; поверхность дна и стенок канала -
гладкозатёртый бетон.
3 "
* Лпл г Откуда для величины Л получается следующая зависимость-= f
Л
, Лпл R' \ —
(10),
в виде кубического уравнения. Где: Л - искомый коэффициент гидравлического трения; Лпл - коэффициент гидравлического трения плоского потока; R - гидравлический радиус; X - смоченный периметр. Кубическое уравнение (10) , может быть разрешено относительно величины при известных значениях Лпл. R и %. Выводы и рекомендации.
1.При напорном течении в круглой трубе (R = D /4) и бесконечно широких прямоугольных каналах (при b»h; R = h) , а также в деривационных каналах ГЭС , где обеспечивается равномерное распределение касательных напряжений (то) по всему смоченному периметру (то ~ тоср ), геометрическая интерпретация гидравлического радиуса оправдывается, в остальных случаях (где то Ф тоср ) - интерпретация гидравлического радиуса R, учитывающего как формы живого сечения не оправдывается.
2.Безнапорному деривационному каналу ГЭС правильного поперечного сечения соответствует закон гидравлического сопротивления, определяемый формой живого сечения «Ф» и «К» - учитывающей влияние свободной поверхности потока при безнапорном движении воды в деривационных каналах гидроэлектростанций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Besin H. Reoherohos experimontalca sur l'ecolement de l'oau dane lea canauxdecouverba. Not.pressentea p.divers Savants a l'Academie des Sciences. Paris, 1865. 652 p.
2.Зегжда А.П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах. Гос. Изд - во литературы по строительству и архитектуре, Л. - М., 1957, стр.277.
3. Dilshod Bazarov, Bakhtiyar Uralov and other. The effects of morphometric elements of the channel on hydraulic resistance of machine channels of pumping stations. IOP Publishing doi:10.1088/1757-899X/869/7/072015.Pp1-8. www.scopus.com'
4. Bakhtiyor Uralov, Sanatjon Khidirov and other. The influence sof the roughnes and shape of the canals on trapezoidal chanals on the pressure loss of the hydropower structures. link springer.com/chapter/101007/978-3-330-67654-4_5LNCE,volume 141,Pp.35-46. www.scopus.com.
