CC BY
87
УДК 627.8(075.8)
ЗАКРУЧЕННЫЕ ПОТОКИ ЖИДКОСТИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЯХ
Б.А.Животовский, Н.Н.Розанова
Кафедра Гидравлики и гидротехнических сооружений Российского университета дружбы народов 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
Рассматриваю гея особонносш накрученных потоки» и их влияние на условия работы туннельных водосбросов с тангенциальным чавихригелем. Приводятся данные, подтверждающие эффективность гашения избыточной кинетической )нерпш потока, отсутствие каинтационной эршии и общую надежность вихревых водосбросов.
Закрученные потоки жидкости в последнее время находят применение в гидротехнических сооружениях. Под закрученными потоками понимаются искусственно созданные вихревые потоки, имеющие поступательно-вращательное движение, вихрь скорости в которых отличен от нуля.
При пропуске сбросных расходов через водосбросные сооружения скорости воды в них могут достигать 40 м/с и более, как например для Рогунского гидроузла ( Таджикистан ), гидроузла Тери ( Индия ),Тельмамского гидроузла (Россия) и др. В этих условиях возникает ряд сложных научных и технических проблем, связанных с надежностью сооружений и экологической безопасностью нижележащих регионов. Во-первых, при выпуске потока с большими скоростями в нижний бьеф возникает опасность размыва русла реки и подмыва и обрушения склонов. Во-вторых, при указанных скоростях потока возникает опасность кавитационных разрушений водосбросного тракта. Все это может привести к аварийной ситуации на гидроузле с катастрофическими последствиями для нижележащих территорий на значительном протяжении реки.
Эффективным методом решения указанных проблем, позволяющим погасить избыточную энергию потока внутри водосбросного сооружения и тем самым уменьшить скорость потока в нижнем бьефе до допустимых значений и одновременно защитить бетонные поверхности водосбросного сооружения от кавитационных разрушений, является применение закрученного потока. В закрученном потоке резко повышается интенсивность гашения механической энергии за счет его турбулизации и уменьшается или исключается опасность кавитационной эрозии стенок водовода за счет специфического распределения давления и скоростей [1,2].
Вращение потока приводит к формированию поля центробежных массовых сил, которые в десятки и сотни раз могут превосходить силу тяжести и которые оказывают существенное влияние на структуру закрученного потока. Эти силы вызывают появление радиального градиента давления в поперечном сечении водовода, которое непрерывно увеличивается от оси к стенке, рост осевых скоростей на периферии и их падение в центре, возникновение вакуума вплоть до разрыва сплошности потока и появления паро-воздушной полости в его центральной области. Закрутка потока затухает по длине водовода, что вызывает непрерывное изменение поля центробежных массовых сил, приводящее к интенсивному переформированию эпюр скоростей и давления.
Характерные безразмерные эпюры скорости закрученного потока в цилиндрическом водоводе для различной интенсивности закрутки представлены на Рис.1 Для оценки интенсивности закрутки потока здесь используется интегральный параметр закрутки П, являющийся критерием подобия закрученных потоков и представляющий собой
отношение тангенциальной составляющей касательного напряжения к полному касательному напряжению на стенку водовода П = ти / т .
г
0,8
0.6
0,4
0,2
м \ • 1 \ V V \
, 1 > \ \ \ \
il 11 \' :А )
1 t ""Г'" ) , t
а
Vu
Рис. I. Безразмерные эторы окружной Vu и основной Vm скорости:
/ - П = 0,8; 2-ЇІ- 0,7; 5 - П = 0,6; 4 - П = 0,5; 5 - П =* 0,4; б - ГІ ~ 0,3
Интенсивность гашения энергии закрученного потока по длине водосброса зависит от формы поперечного сечения водовода. На Рис.2 приведены кривые изменения удельной энергии потока по длине водовода круглой, подковообразной, квадратной и треугольной формой поперечного сечения [3] . Здесь Е„, Ек., Е, - удельная энергия потока в начальном, конечном и произвольном сечении водовода соответственно, lud - длина и диаметр водовода. Из рисунка видно, что наибольшей интенсивностью гашения энергии потока обладают водоводы с треугольной формой, затем с квадратной, подковообразной и круглой формой поперечного сечения.
Рис. 2. Изменение интенсивности гашения удельной энергии закрученного потока по длине туннеля круглого (/), подковообразного (2), квадратного (5) и треугольного {4) сечений; ( — ) осевой поток в цилиндрическом
туннеле
В настоящее время выполнен ряд конструктивных разработок [1] вихревых водосбросов с использованием в них закрученных потоков. Одной из наиболее простых в конструктивном отношении и перспективных схем вихревых водосбросов является схема, принятая для гидроузла Тери ( Рис.З ). В этой схеме строительный туннель используется в эксплуатационный период в качестве отводящего водовода вихревого водосброса, по которому движется закрученный поток, создаваемый тангенциальным завихрителем потока. Входная часть водосброса может быть выполнена с поверхностным или глубинным водозабором. Поток подводится к закручивающему устройству шахтой, которая может быть вертикальной или наклонной. В узле соединения шахты и отводящего водовода размещается закручивающее устройство, являющееся основным элементом, определяющим пропускную способность и режим течения на отводящем участке водосброса [4]. Наиболее простой конструкцией закручивающего устройства является завихритель с одним тангенциальным подводом. Такой завихритель потока имеет преимущества по сравнению с другими в возможности достаточно просто изменять его геометрический параметр А, не изменяя при этом основных размеров шахты. Параметр А определяется по формуле
, пЯпЯ
А-—~-Л7Ир, (1)
■^«1
где - расстояние от оси туннеля до центра тяжести « ключевого» сечения площадью ^кл; К - радиус отводящего туннеля за завихрителем; (3 - угол наклона оси подводящего водовода к оси завихрителя.
Рис. 3. Вихревой водосброс гидроузла Тери:
1 - шахта; 2 - строительный туннель; 3 - тангенциальный завихритель;
4 - туннель круглого сечения; 5 - переходной участок; 6 - отводящий туннель; 7- глубинный водоприемник; 8 - цилиндрическая вставка
завихрителя
Расчет завихрителя проводится с учетом следующих основных условий: обязательное отсутствие кавитационной эрозии начального участка отводящего туннеля за кромкой завихрителя (здесь еще закрученный поток не сформировался полностью и отличается неустойчивостью своих характеристик), при этом принимается во внимание значение критического параметра кавитации Ккр = 10,6 (по исследованиям МГУП);
расчетное значение геометрического параметра завихрителя должно соответствовать требуемой пропускной способности водосброса, при этом надо учитывать, что
1
коэффициент расхода Ц = определяемый суммой гидравлических
У &НЫХ Ь
сопротивлений 2] за границей А > 5...6 не уменьшается [5];
коэффициент сопротивления закручивающего устройства »ходящий в
определяется с учетом геометрических особенностей завихрителя и условий работы шахты (напорная шахта или с водовоздушной подушкой );
закручивающее устройство определяет степень затопления шахты, а при расходах, меньших расчетных, и воздухозахват, поэтому от конструкции завихрителя и значительной степени зависят кинематические характеристики закрученного потока в отводящем туннеле, дня расчета которых необходимо определить начальную закрутку потока и виде параметра интенсивности закрутки в сечении /о, удаленном от оси шахты на ( 2...4 ) б/,, или /„ ~ 6Я (здесь йу, Я - диаметр и гидравлический радиус туннеля) [2]. Поэтому вопрос выбора требуемого значения А является главным в разработке конструкции вихревого водосброса.
Принципиальное отличие гидравлических условий работы вихревого водосброса с длинным отводящим водоводом постоянного сечения заключается в плавном гашении энергии по его длине, причем более интенсивном на начальном учас тке водовода ( Рис.4).
Рис. 4. Изменение гидравлических характеристик закрученного потока вдоль отводящего туннеля вихревого водосброса ГЭС Тери:
Е - полная удельная энергия; V, p/pg - скорость у стенки и избыточное давление на стенке на отметке оси водовода
В настоящее время нет достаточных данных для прогноза кавитации в завихрителях с различными значениями геометрических параметров, хотя экспериментальные кавитационно-эрозионные исследования для условий Рогунского вихревого водосброса, выполненные в МГУП, показали, что кавитационный факел, срывающийся с кромки завихрителя, устойчиво замыкается в потоке и не представляет опасности с точки зрения появления кавитационной эрозии.
Для прогнозирования кавитационного режима за неровностями в водосбросах с закрученным потоком могут быть с запасом использованы критические значения
параметров кавитации, полученные для осевого потока. Проведенные исследования в кавитационно-вакуумном стенде показывают, что для неровностей, лобовая грань которых расположена перпендикулярно оси водовода, Кк/, снижается с ростом угла закрутки потока и имеет максимальное значение для осевого потока. При обтекании прямоугольного выступа, если характерная скорость потока берется на высоте выступа, Ккр - 2.
Для более достоверной оценки кавитационной ситуации следует учитывать наличие пограничного слоя. Для определения скорости на высоте возможных дефектов поверхности возможно использовать логарифмическую аппроксимацию профиля скорости в пограничном слое
К0 - 'эквивалентная шероховатость бетонной поверхности (в расчетах примято К;} =1,5 ММ).
По формулам (2,3) определено на какой высоте выступа параметр кавитации /0=2. Получено, что на расстоянии lj/dm=l, 11 Zd0n-85 мм, а для 12/dm~4,35 Z()on=150 мм. Такие требования вполне приемлемы при обычном производстве работ.
ВЫВОДЫ. Вихревые туннельные водосбросы позволяют обеспечить эффективное гашение избыточной кинетической энергии и общую надежность сооружения. Надежность работы вихревых водосбросов с гашением энергии в отводящем туннеле подтверждается плавным затуханием пульсации давления и интенсивности турбулентности вдоль туннеля и низким уровнем этих величии на выходе потока в нижний бьеф.
Определяющим при выборе схемы гашения энергии являются условия компоновки вихревого водосброса в составе гидроузла с учетом экологической безопасности района.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галант М.А., Животовский Б.А., Новикова И.С., Родионов В.Б., Розанова Я.Я.Особенности вихревых туннельных водосбросов и гидравлические условия их работы. Гидротехническое строительство, № 9, 1995.-С.16-22.
2. Животовский Б.А. Водосбросные и сопрягающие сооружения с закруткой потока. М., Изд-во РУДН, 1995 Г.-С.190.
3. Животовский Б.А., Розанова H.H. Особенности гидравлического расчета вихревых туннельных водосбросов с повышенной энергогасящей способностью. Вестник Российского университета дружбы народов, серия “Строительство”, Изд-во РУДН, 1999 Г.-С.155-163.
4. Розанова H.H. Влияние кострукции тангенциального завихрителя на характеристики закрученного потока и пропускную способность водосброса. Гидротехническое строительство, №2, 1999 Г.-С.24-27.
5. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Мордасов А.П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях. М.: Энергоатомиздат, 1990 Г.-С.280.
v / С/* = 8,5 + 5,75 lg Z / Кя,
(2)
где Z - расстояние от стенки; £/* - динамическая скорость, которая определяется но формуле
(3)
TWISTED FLOW AND ITS UTILIZATION IN HYDRAULIC STRUCTURES
B.A.Zhivotovsky, N.N.Rozanova
Department of Hydraulies and Hydraulic Structures,
Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya st., 6, 117198 Moscow*, Russia
The article is about features of twisted How and its influence on the conditions of operation of tunnel outlets equipped with tangential vortex dcvice. littcctive dissipation of tlow energy, absence of erosion of cavitation and general reliability of vortex outlets is confirmed.
Нина Николаевна Розанова родилась в 1952 г., окончила Московский гидромелиоративный институт в 1974 г. канд. техн. наук, доцент кафедры Гидравлики и гидротехнических сооружений, автор более 50 научных работ в области гидравлики и кавитации водосборных сооружений.
N.N. Rozanova (b. 1952) graduated from Moscow Hydroreclamation Institute in 1974. PhD (Eng), ass. professor of Hydraulics and Hydraulic Structures Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of more than 50 publications in the field of hyfraulics and cavitation of spillway structures.
