Экспериментальное обоснование раструбной конструкции концевого участка напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока

Во введении обоснована актуальность темы исследований, дана оценка степени её разработанности, определены цели и задачи исследований, отмечены научная новизна, теоретическая и практическая значимость диссертационной работы, изложена методология исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту, а также степень достоверности и апробация результатов.
В первой главе анализируются условия эксплуатации водопропускных гидротехнических сооружений, при которых в них обеспечивается стабильный напорный режим. Рассмотрены различные конструкции концевых участков, позволяющих создать необходимые для этого условия. Подобные конструкции исследовались Алиевым Э.Д., Белоконевым Е.Н., Голубенко М.И., Казиевым Н.Ю., Кондюриной М.А., Мариупольским А.Л., Петровым Г.А., Румянцевым И.С., Храпковским В.А., Цивиной И.М., Чеботаревым Т.А., Шкулановым Е.И., Якубовым А.Х., Янченко Е.А. и др.
Большинство конструкций концевых участков напорных водопропускных сооружений имеют значительное количество элементов, усложняющих конструкцию и склонных к повреждениям, что снижает надёжность и ремонтопригодность таких сооружений. Концевой участок в виде диска- отражателя, установленного над выходным сечением вертикального водовода, предложенный Бахтиным Б.М. и Расуанандрасаной М.Ж., не имеет маломассивных, подверженных повреждениям, элементов и гарантирует стабильный напорный режим в водоводе во всём диапазоне расходов, но его
использование возможно только в широких отводящих каналах.
В главе представлена схема и описание раструбной конструкции концевого участка (рис. 1), которая обладает вышеуказанными преимуществами и при этом
может быть применена в более узких створах.
Рисунок 1 – Фотография раструбной конструкции концевого участка: 1 – выходное сечение вертикального водовода диаметром d; 2 – сектор-отражатель радиусом Rc, расположенный на высоте t; 3 – направляющие стены, расположенные под углом 90 градусов; 4 – откосы отводящего канала (m = 1,0); 5 – сопряжение концевого участка с отводящим каналом;
6 – направляющие для установки сектора-отражателя на разных высотах; 7 – шланги для измерения пьезометрического напора; 8 – водоворотный валец при надвинутом гидравлическом прыжке
Принцип работы такого концевого участка следующий: поступающий из выходного сечения вертикального участка водовода поток соударяется с гасителем-отражателем, растекаясь по его внутренней поверхности, при этом на сходе с гасителя-отражателя формируется струя, расширяющаяся в соответствии с углом роспуска потока = 90°. Работа конструкции концевого участка обеспечивает малые удельные расходы при сопряжении с нижним бьефом, которые снижают вероятность возникновения опасных размывов вблизи самого концевого участка, гарантируя надёжность работы сооружения.
Возможность произвольно располагать ось транзитной части водовода относительно оси отводящего канала, при использовании предлагаемой

конструкции, позволяет усовершенствовать объемно-планировочные решения и более свободно выбирать компоновку гидроузла, что является важным аспектом при его проектировании и организации производства гидротехнических работ.
Во второй главе дается описание методологической базы моделирования и обработки результатов экспериментальных исследований.
Приведены схемы «малой» и «большой» (рис. 2) модельных установок, на которых проводились предварительные и основные физические экспериментальные исследования, соответственно. Изложена методика численного моделирования концевого участка водовода в программном комплексе Ansys Fluent.
Эксперименты на «большой» модели проводились при различных скоростях в выходном сечении водовода 0 =1,55;1,68;1,84;2,10;2,24м/с, при
относительных высотах расположения сектора-отражателя = 0,56; 1,13; 1,70 и
относительных глубинах в нижнем бьефе h/ = 0,5; 0,8; 1,1; 1,4; 1,8. Методологическая база выполненных физических экспериментов включала в себя в том числе: методику измерения расходов при помощи мерных водосливов, методику измерения глубин потока в отводящем канале с помощью шпитцен- масштаба, методику определения плановых очертаний потока и длины отлёта струи по верхней границе потока с применением координатной сетки и линейки, методику определения направлений и величин скоростей потока с помощью
флюгера и трубки Пито-Прандтля.
Расход на мерном водосливе «большой» модели определялся по формуле:
= 2,953 h3/2, (1)
где = + ′ h – коэффициент расхода, = 0,5895; ′= 0,0028; = +
– приведенная ширина порога водослива; – ширина порога водослива; – поправка на вязкость и поверхностное натяжение жидкости для не применялась, т.к. > 0,3 м; he = h + kh – приведенный напор; h – геометрический напор на
пороге мерного водослива, kh = 0,001 – поправка на вязкость и поверхностное натяжение жидкости для h, при h > 0,1м не применялась.
Рисунок 2 – Схема «большой» модельной установки: 1 – напорный бак;
2 – входной оголовок; 3 – транзитный водовод; 4 – резервуар нижнего бьефа;
5 – выходное сечение водовода; 6 – сектор-отражатель; 7 – направляющие стены; 8 – сопрягающие стены; 9 – тележка со шпитцен-масштабом;10 – жалюзи;
11 – успокоительная решетка; 12 – пьезометр; 13 – прямоугольный мерный водослив; 14 – пьезометры перед выходным сечением
Методика обработки результатов измерений, представленная в работе, включает определение: толщины струи под сектором-отражателем, средней скорости струи под сектором-отражателем, максимальной скорости струи, пьезометрического напора, коэффициента сопротивления концевого участка водовода и силы давления потока на сектор-отражатель.
Коэффициент сопротивления концевого участка определялся с использованием уравнения для нахождения расхода:
= 0√2 ,
где – коэффициент расхода, учитывающий потери на участке проточного
тракта; 0 – площадь поперечного сечения водовода; – действующий напор.
(2)
С помощью величины коэффициента расхода определялся коэффициент
сопротивления концевого участка выхиз следующей зависимости:
= 1 , (3)
где α – коэффициент кинетической энергии в выходном сечении водовода, определенный с использованием программного комплекса Ansys Fluent.
Величина силы гидродинамического давления Р потока, воздействующего на сектор-отражатель, определялась по формуле:
= 0 , (4) где 0 – плотность воды, т/м3; = 9,81 м/с2; – объём тела давления,
образованного пьезометрическим напором на нижней грани сектора.
Описаны погрешности измеренных величин: геометрических размеров конструкций, глубин в отводящем канале и напоров на мерных водосливах, пьезометрического напора в статической и динамической трубках (трубка Пито- Прандтля), пьезометрических напоров на элементах конструкции, длин отлёта
струи.
В третьей главе изложены результаты исследований раструбной
конструкции в относительных размерах и в масштабе моделей.
Плановые очертания верхней границы отбрасываемой струи (рис. 3) говорят
о неравномерности распределения удельных расходов по ширине отводящего канала, что является определенным недостатком рассматриваемой конструкции.
Рисунок 3 – Плановые очертания верхней поверхности потока при исследовании конструкции с радиусом с = 3.0 и относительной высотой расположения сектора / = 1.0 на «малой» модели
√ + вых

При исследовании выделено 5 режимов сопряжения бьефов: затопленное фонтанирование; падение струи в пределах концевого участка; отброс струи за пределы концевого участка; отброс струи с подтоплением концевого участка и затопленное истечение на концевом участке.
Распределение скоростей в вертикальном участке водовода (рис. 4) показало, что для уменьшения влияния поворота водовода (радиус по оси 1,5d) на распределение давления на сектор-отражатель требуется расположение выходного сечения водовода на расстоянии не менее 7,9d или его расположение непосредственно за поворотом водовода. Для уменьшения стоимости строительно- монтажных работ целесообразно располагать выходное сечение водовода непосредственно за его поворотом, а радиус принимать минимально возможным, исходя из рекомендаций научной и нормативно-технической литературы, с учетом глубины промерзания грунта.
а) б)
Рисунок 4 – Распределение скорости в продольном сечении круглого водовода при средней
скорости: а – 0 = 1,55 м/с; б – 0 = 2,24 м/с
Полученные значения величин относительной длины отлёта струи / по верхней границе потока для всех относительных высот расположения сектора (рис. 5) можно использовать при назначении ширины отводящего канала и расчете сопряжения потоков в нижнем бьефе.

5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
y = 2,4926x – 0,7737
y = 2,2647x – 2,1344
y = 1,6625x – 2,1131
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Vo, м/с
t/d = 0,56 t/d = 1,13 t/d = 1,7
Линейная (t/d = 0,56) Линейная (t/d = 1,13) Линейная (t/d = 1,7)
Рисунок 5 – Графики зависимости относительной длины отлёта струи от скорости потока в выходном сечении водовода = ( 0)при различных относительных высотах сектора-
отражателя /
Значения коэффициента кинетической энергии в выходном сечении водовода составилиот =1,011при 0 =1,55м/сдо =1,030при 0 =2,24м/с.
Эпюры местных скоростей в створах концевого участка (рис. 6) дают понимание о кинематической структуре и распределении потока в выходном сечении.
Эпюры местных скоростей в створах «0» … «3» имеют равные величины. Максимальная величина местных скоростей наблюдается в верхней точке эпюры, непосредственно на сходе с кромки сектора-отражателя; минимальными являются придонные скорости, имеющие отрицательные значения (направленные в сторону ВБ), что говорит о наличии водоворотного вальца под струей выходящей из-под сектора-отражателя. Эпюры местных скоростей в створах «4» и «5» отличны от эпюр в створах «0» … «3»: придонные скорости имеют положительные значения и являются пиковыми значениями в нижней части эпюр; максимальные скорости наблюдаются в верхней части эпюры; в средней части эпюры – наблюдаются пониженные скорости. В центральной части сектора (эпюры «0» … «3») проходит от 46,8 % до 50,8 % от общего расхода, а в периферийной части (эпюры «4» … «5») от 49,2 % до 53,2 %, что свидетельствует о наличии неравномерности распределения удельных расходов по ширине концевого участка.
L/t

15
0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
б) Створы 0…3
-0,5 0,0 0,5
1,0 1,5 2,0
Скорость ui, м/с Vo=1,68 м/с Vo=1,84 м/с
Vo=2,10 м/с
а) Схема расположения створов
0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
в) Створ 4
0,0 0,5 1,0
Скорость ui, м/с Vo=1,68 м/с Vo=1,84 м/с
Vo=2,10 м/с
1,5 2,0
0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
Рисунок 6 – Совмещенные эпюры скоростей в выходном сечении концевого участка при относительной высоте расположения сектора / = 1,13
Подбором по эпюре удельных расходов определена средняя толщина струи hстр под сектором-отражателем между створами «0» и «3». Минимальное значение средней толщины струи hстр = 0,007 м получено при / = 0,56 и 0 = 2,10 м/с, максимальное значение составляет hстр = 0,053 м при / = 1,70 и 0 = 1,68 м/с.
С использованием полученных величин толщины струи рассчитана средняя скорость струи стр под сектором-отражателем между створами «0» и «3». Минимальные значения средней скорости под сектором-отражателем между створами «0» и «3» составляет стр = 0,29 м/с при / = 1,70 и 0 = 1,68 м/с. Максимальные значения средней скорости под сектором-отражателем между створами «0» и «3» составляет стр = 2,07 м/с при / = 0,56 и 0 = 2,10 м/с.
Полученные значения коэффициента гидравлического сопротивления для основных режимов работы раструбной конструкции позволяют определить пропускную способность водопропускного сооружения в целом. Коэффициент вых
г) Створ 5
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0,0
Скорость ui, м/с Vo=1,68 м/с Vo=1,84 м/с
Vo=2,10 м/с
Высота, м
Высота, м
Высота, м
при свободном отбросе струи составляет от 0,3401 при 0 = 2,24 м/с и / = 1,70 до 2,4399 при 0 = 1,55 м/с и / = 0,56. При повышении относительной высоты расположения сектора-отражателя / происходит уменьшение сопротивления. При увеличении скорости потока возникает увеличение вакуума под сектором- отражателем, что также сопровождается уменьшением сопротивления. Данное явление вызвано подсосом потока, образованным наличием вакуума на поверхности сектора.
Максимальные значения относительного напора / = 7,659на сектор наблюдаются (рис. 7) в области, расположенной над выходным сечением водовода, при относительной высоте расположения сектора / = 0,56, относительной глубине в нижнем бьефе h/ = 2,5 и скорости в выходном сечении 0 = 2,10 м/с. В силу наличия неравномерности распределения скоростей в нем, вызванных поворотом, максимумы смещены от оси вертикального участка водовода в сторону нижнего бьефа на величину ~0,28 . Отрицательные значения давления потока на сектор, начинающиеся на расстоянии (1,67 ÷ 1,90) от ограничивающей стенки конструкции, говорят о наличии зоны вакуума. Вакуум в этом месте возникает из- за того, что поток пытается оторваться от поверхности сектора под действием силы тяжести воды при отсутствии воздуха между потоком и поверхностью сектора. По этой причине и происходит движение воды по нижней поверхности сектора. Данное явление было обнаружено ещё в 1932 году румынским учёным Анри Коандэ.
Минимальное значение относительного напора / = −1,21 располагается на расстоянии / ≈ 3,0 от ограничивающей стенки и наблюдается при h/ = 0,89 и тех же / = 0,56, 0 = 2,10 м/с. В виду того, что зона вакуума заканчивается там же, где заканчивается сектор-отражатель, предполагается отсутствие кавитационных явлений на поверхностях конструкции концевого участка.
На основании величин основных исследованных параметров концевого участка (длина отлёта струи, коэффициент сопротивления, максимальные местные скорости в створе «5», величина гидродинамического давления на сектор) проведена оценка оптимальной относительной высоты расположения сектора-
отражателя при средней скорости потока в выходном сечении водовода от 0( ) = 1,68 м/с до 0( ) = 2,10 м/с. Для обеспечения оптимальных значений всех исследованных параметров концевого участка в целом автором рекомендуется принимать среднее из исследованных значений / = 1,13. При необходимости изменения отдельных основных параметров предлагается использовать / = 0,56 (для увеличения длины отлёта струи, повышения коэффициента сопротивления) или / = 1,70 (для снижения величин максимальных скоростей в створе «5» и снижения давления на сектор).
9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
-1,0 -2,0
0,0
0,3 0,4
h/t=0,89 h/t=1,43 h/t=1,96 h/t=2,5 Сектор
0,1 0,2
Относительное расстояние по длине сектора X/Rc
0,5 0,6 0,7
0,8 0,9 1,0
Рисунок 7 – График относительного напора / на сектор-отражатель по продольному створу при / = 0,56и 0 = 2,10 м/с
В качестве оптимального значения радиуса целесообразно принять радиус, на котором зафиксированы максимальные величины вакуума. Значения относительных расстояний, на которых расположены максимальные величины вакуума, при средней скорости потока в выходом сечении водовода от 0( ) =
1,68 м/с до 0( ) = 2,10 м/с составляют с/ ≈ 3,0.
В четвертой главе изложена методика проектирования концевого участка на основании результатов выполненных исследований.
Для расчета сопряжения нижнего бьефа назначаются основные размеры конструкции концевого участка: диаметр водовода, высота расположения и радиус сектора-отражателя.
H/d
Определение диаметра водовода для обеспечения заданной пропускной способности рекомендуется выполнять методом подбора по формуле (2).
Для этого задаются стандартные значения диаметров трубопроводов, изготавливаемых в заводских условиях: 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4 м и т.д.
Принимается относительная высота расположения сектора-отражателя / .
Для каждого из заданных диаметров определяются площади в выходном сечении водовода, действующий напор и коэффициент расхода в 1-м приближении.
Определяются значения расчетного расхода расч.1 в 1-м приближении до тех пор, пока полученное значение расч.1 = ( ) не станет превышать заданное значение .
Для уточнения пропускной способности проводится расчет расхода расч.2 во 2-м приближении. Для этого уточняются величина скорости в выходном сечении
2
выбирается значение диаметра водовода, при котором обеспечивается заданная
пропускная способность. В случае, если 0(расч) не попадает в исследованный
диапазон скоростей, рекомендуется принять больший диаметр водовода или провести дополнительные исследования для диаметра, при котором значение средней скорости потока в водоводе выходит за исследованный диапазон скоростей.
Принимается радиус сектора-отражателя , уточняется радиус поворота и величина заглубления водовода с учетом глубины промерзания.
Длина продолжающихся направляющих стен концевого участка назначается в соответствии с длиной отлёта струи при заданном расходе, ширина канала – по ширине концевого участка в месте сопряжения направляющих стен с каналом.
Расчет сопряжения бьефов при отбросе струи выполнен как для консольного перепада (рис. 8) по двум методикам: Е.А. Замарина для растекающейся в воронке струи и по формуле М.С. Вызго.
водовода 0(расч), коэффициент расхода 2 и скоростной напор 0(расч). Далее 2

нижнего бьефа под углом и допустимая неразмывающая скорость. Глубина ямы размыва от уровня воды по М.С. Вызго:
Рисунок 8 – Сопоставление расчетных схем при сопряжении нижнего бьефа отбросом струи: а – консольный перепад; б – сектор-отражатель
Глубина ямы размыва от уровня воды по Е.А. Замарину:
hя.р.(0) = р sin = 1,4 lg( вх )sin , (5)
доп
где – удельный расход; вх и доп – скорость входа потока под уровень
√ 2
hя.р.(0) = √ + hстр/2 + стр, (6) 2
где – коэффициент аэрации; – коэффициент размыва.
Полученные значения имеют значительные расхождения hя.р.(0)1 = 1,30 м и hя.р.(0)2 = 3,47 м. Предполагается, что фактическое значение будет находиться в диапазоне полученных по обоим методам значений.
На основании выполненных расчетов сопряжения бьефов рекомендуется откос ямы размыва со стороны верхнего бьефа крепить монолитным бетоном, а дно ямы размыва – каменной наброской.
В главе также представлен пример расчета прочности конструкции в программном комплексе ЛИРА-САПР. По результатам расчетов определены толщина и параметры армирования сектора-отражателя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты экспериментальных исследований, выполненных в рамках настоящей работы, позволяют сформулировать следующие выводы:
1. Исследование распределения скоростей в поперечных сечениях концевого участка водовода на расчетной модели показало, что наименьшее смещение максимумов скоростей потока в сторону нижнего бьефа наблюдается в выходном сечении водовода и составляет 27-30 мм от оси водовода, а наибольшее смещение зафиксировано во 2-ом сечении и составляет 39 мм. Смещение в 1-м сечении составляет 32-33 мм, а в 3-м сечении – 35-36 мм.
2. Непосредственно за поворотом водовода разница между максимальной и средней скоростью в водоводе составляет не более 8,6%, в то время как в других сечениях – от 10,3-12,6% (в последнем сечении на расстоянии 7,9d) до 19,7-20,5% (в сечении 2 на расстоянии 1,0d).
3. Близкая к наименьшей величина смещения максимума скоростей в 1- ом сечении водовода и наименьшая разница между максимальной и средней скоростью позволяют сделать вывод о том, что выходное сечение необходимо располагать наиболее близко к колену водовода – в 1-м сечении.
4. С помощью расчетной модели в Ansys Fluent определены значения коэффициента в выходном сечении водовода – от 1,011 до 1,030.
5. Результаты исследования длины отлёта струи показали, что зависимости относительной длины отлёта струи / от скорости потока в выходном сечении водовода 0 являются линейными. Наибольшую длину отлёта
струи имеет вариант конструкции концевого участка с / = 0,56, наименьшую – концевой участок с / = 1,70.
6. Интегральный расход в выходном сечении концевого участка превышает значения расхода, зафиксированного на мерном водосливе, на 5,3 % при относительной высоте расположения сектора / = 0,56, при которой в силу наименьшей площади выходного сечения фиксируются наибольшие скорости. При / = 1,70 эта разница составляет до 24,7%. Несмотря на то, что полученные значения местных скоростей являются несколько завышенными, результат можно считать удовлетворительным. Превышения скоростей пойдут в запас при выполнении гидравлических расчетов.
7. Полученные эпюры скоростей в выходном сечении концевого участка показали, что в центральной части сектора (между створами «0» и «3») проходит от 46,8 % до 50,8 % суммарного расхода, а в периферийной части (между створами «3» и «5») от 49,2 % до 53,2 % суммарного расхода, что говорит о неравномерном распределении потока и сосредоточении его вдоль стен отводящего канала.
8. Средняя толщина транзитной струи под сектором-отражателем в исследуемом диапазоне скоростей в выходном сечении водовода 0 = 1,68 − 2,10 м/с имеет минимальные значения при / = 0,56 – 7÷8 мм, максимальные при / = 1,70 – 23÷53 мм. При / = 1,13 средняя толщина транзитной струи имеет значения 12÷22 мм.
9. Средняя скорость транзитной струи под сектором-отражателем в исследуемом диапазоне скоростей в выходном сечении водовода 0 = 1,68 − 2,10 м/с при / = 0,56 составила 1,51÷2,07 м/с, при / = 1,13 – 0,68÷1,24 м/с, при / = 1,70 – 0,29÷0,73 м/с.
10. Коэффициенты гидравлического сопротивления в исследуемых диапазонах параметров концевого участка колеблются от 0,3401 до 2,4399. При этом для каждой относительной высоты расположения сектора-отражателя / , с увеличением скорости потока в водоводе коэффициент уменьшается, что является обратным классическому увеличению коэффициента при росте скорости потока.
Данный эффект наблюдается в связи с наличием вакуума на контакте потока и нижней поверхности сектора-отражателя.
11. Исследования пьезометрического давления на сектор-отражатель показали, что во всех диапазонах исследуемых параметров под нижней поверхностью сектора на границе с потоком возникает вакуум. Начало зоны с отрицательным давлением располагается на расстоянии ~(1,67 ÷ 1,90) от задней ограждающей стенки концевого участка, а окончание соответствует окончанию горизонтальной поверхности сектора-отражателя (4,5d), где поток выходит в открытое пространство нижнего бьефа.
12. Относительная сила гидродинамического давления P/R струи на сектор-отражатель в диапазоне скорости в выходном сечении водовода 0 = 1,55 ÷
2,24 м/с и относительной глубине в отводящем канале h = 0,5 ÷ 1,8 составляет от
0,070 до 0,173 при / = 0,56, от 0,037 до 0,073 при / = 1,13 и от 0,015 до 0,044 при / = 1,70.
13. Полученные результаты исследования позволяют определить размеры плоского горизонтального сектора-отражателя, провести его гидравлические и прочностные расчеты, а также рассчитать осадку основания, что является достаточным для проектирования концевого участка в составе водопропускного гидроузла.
Таким образом, в диссертационной работе определены особенности гидравлического режима и основные параметры плоского горизонтального сектора-отражателя, что позволяет рекомендовать данную конструкцию к применению в практике гидротехнического строительства.
Предложения и рекомендации дальнейшей разработки темы.
Дальнейшие перспективы исследований по теме диссертации заключаются в математическом обосновании движения воды под сектором-отражателем и исследовании других разновидностей предлагаемого концевого участка – например, криволинейного отражателя потока, зарегистрированного патентом No 2656891 (авторы Бахтин Б.М. и Михайлец Д.П.). Указанная конструкция концевого участка выполнена в форме полупараболоида вращения (криволинейный
полудиффузор), позволяет более равномерно распределить расходы по ширине канала и имеет хорошие перспективы для применения на практике.