Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние геометрических параметров размещения шашечных гасителей на коэффициент лобового сопротивления

Аубакирова Ф.Х.,

д. т. н., профессор Волненко А.А.

к. т. н. Балгерей М.А.

Основное содержание исследования

Представлены результаты экспериментальных исследований процесса обтекания шашечных гасителей энергии в зависимости от относительного расстояния между рядами и относительной ширины гасителя. Выявлен механизм взаимодействия турбулентных струй при обтекании шашечных гасителей, получены значения коэффициентов лобового сопротивления.

При проектировании и расчете конструкций крепления русла за водосбросными сооружениями возникает задача сокращения размеров участка нижнего бьефа, на котором осуществляется переход из бурного состояния в спокойное и завершается гашение избыточной кинетической энергии. Одним из решений этой задачи является установка на водобое гасителей энергии, преобразующих поток в равномерно распределенное движение. Среди множества гасителей энергии в шашечных конструкциях наиболее оптимально сочетаются реактивное, диссипационное и распределительное воздействия гасителей на поток, поэтому этот тип гасителей был выбран для экспериментальных исследований.

В настоящее время существует несколько различных подходов к расчету гасителей энергии, среди них наибольшее распространение получила методика, где определяющим фактором является реактивное воздействие на поток. Согласно формуле Ньютона для нахождения реакции гасителей необходимо знание коэффициента лобового сопротивления, который можно представить в виде функциональной зависимости от ряда безразмерных параметров /1/:

, (1)

где C_D - коэффициент лобового сопротивления гасителя; Fr_C - число Фруда в сжатом сечении; L_X1 - расстояние от сжатого сечения до гасителя первого ряда; h₁ - первая сопряженная глубина прыжка; h_Г - высота гасителя; - относительная ширина гасителя; Re - число Рейнольдса.

Целью наших экспериментальных исследований было:

уточнение влияния на коэффициент лобового сопротивления шашечного гасителя в зависимости (1) относительной ширины шашки ; расширение зависимости (1) путем добавления нового параметра - относительного расстояния между рядами гасителей , где L_{X2 -} расстояние от сжатого сечения до гасителя второго ряда.

С учетом сказанного, можно записать:

а) для гасителей первого ряда

(2)

б) для гасителей второго ряда

(3)

В экспериментальных исследованиях обеспечивалась автомодельность по числу Рейнольдса, поэтому Re исключено из (2) и (3).

Исследования обтекания системы шашек проводились пьезометрическим методом. Испытываемый шашечный гаситель представлял собой призматическую преграду квадратного поперечного сечения, который располагался в окружении аналогичных призматических преград. Изменяемыми параметрами были скорость потока, относительная ширина шашки и относительное расстояние между рядами гасителей . Измеряемым параметром - давление, далее вычислялся C_D и строились эпюры распределения коэффициентов сопротивления по граням шашечного гасителя.

Схема обтекания системы шашек представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема обтекания системы шашек (вид в плане)

На рисунке 2 показано распределение коэффициентов лобового сопротивления по граням шашки, находящейся в центре системы из девяти элементов (рисунок 1в), при следующем изменении расстояния между шашками одного ряда b_О=2b; b; 0,5b, что соответствует =0,33; 0,5; 0,7.

Из рисунка 2 видно, что коэффициент лобового сопротивления существенно изменяется при =0,7. На лобовой грани наблюдаются отрицательные значения коэффициента сопротивления, C_D снижается до - 0,5. На боковых гранях происходит снижение C_D до - 0,4 в сравнении с одиночно обтекаемой преградой, для которой C_D составляет 0,6. Уменьшение относительной ширины гасителя до =0,5 приводит к тому, что значения C_D по всем граням приближаются к значениям для одиночно обтекаемой шашки. Дальнейшее уменьшение существенных изменений в схеме распределения коэффициентов сопротивления по граням не вызывает.

шашечный гаситель энергия геометрический параметр

=0,33 =0,5 =0,7

Рисунок 2 - Значения коэффициентов лобового сопротивления шашечного гасителя в системе из девяти элементов,

=3 и v=5м/с

Результаты проведенных исследований показали, что относительная ширина гасителя =0,5 является критической. При ее увеличении усиливается взаимовлияние преград между собой, скорости потока в зазорах возрастают, и давление, а, следовательно, и коэффициенты сопротивления также возрастают. Достижение =0,5 приводит к стабилизации картины обтекания, которая приближается к одиночно обтекаемой шашке и в дальнейшем практически не изменяется.

Увеличение значения коэффициента лобового сопротивления с ростом относительной ширины гасителя подмечено также в работе /2/. В данной работе отмечается влияние параметра на значение коэффициента C_D; наблюдается тенденция к увеличению C_D с ростом ; рекомендуется с рациональной точки зрения принимать не более 0,5.

С.К. Гомаста /3/ на основании обобщения данных собственных исследований и исследований других авторов получил несколько зависимостей для коэффициента сопротивления шашечных гасителей, при этом он также отмечает рост C_D с увеличением относительной ширины гасителя .

При исследовании влияния относительной ширины шашечных гасителей, имеющих квадратное поперечное сечение, определено, что при >0.5 частоту срыва вихрей определяет не ширина обтекаемого гасителя, а расстояние между гасителями. Чем меньше это расстояние, тем больше частота срыва вихрей. Рост числа вихрей приводит к большим затратам энергии потока на прохождение системы гасителей, что положительно влияет на величину избыточной кинетической энергии потока. Достижение =0,5 приводит к стабилизации картины обтекания, которая приближается к одиночно обтекаемой шашке и в дальнейшем практически не изменяется /4/.

Нами проведен также комплекс исследований обтекания систем шашечных гасителей при изменении относительного расстояния между рядами гасителей от 1 до 7.

Оказалось, что параметр оказывает большое влияние на C_D2, результаты исследований представлены на рисунке 3. На рисунке 3а, б, в даны результаты исследований коэффициентов сопротивления шашки, расположенной в первом ряду (система из двух элементов, рисунок 1а), на рисунке 3г, д, е - шашки, расположенной во втором ряду.

а) =2 б) =3 в) =4

г) =2 д) =3 е) =4

Рисунок 3 - Значения коэффициентов лобового сопротивления шашечных гасителей в системе из двух шашек

Из рисунка 3 видно, что при =2, за первым гасителем изменение коэффициента сопротивления по граням примерно соответствует одиночно обтекаемой преграде, тогда как за вторым гасителем (рисунок 3г) на передней грани значения коэффициентов соответствуют величине, полученной для тыльной грани первого гасителя. Это свидетельствует о том, что при =2 обтекание системы из двух элементов осуществляется как одной единой шашки. Увеличение относительного расстояния между рядами гасителей до =3 приводит к тому, что две шашки, расположенные друг за другом по потоку являются самостоятельными источниками вихреобразования, однако влияние впередистоящей шашки сказывается на величине C_D2 для лобовой грани второй шашки, которая равна - 0,6. Дальнейшее увеличение относительного расстояния между рядами гасителей до =4 приводит к тому, что два гасителя формируют вихри независимо друг от друга. Результаты исследования коэффициентов лобового сопротивления шашки, установленной в центре систем из трех (рисунок 1б) и девяти (рисунок 1в) шашек, показывают аналогичную картину в распределении коэффициентов сопротивления.

Ранее другими исследователями рассматривалось влияние относительного расстояния между рядами гасителей на значение коэффициента лобового сопротивления, но это был параметр , где h_Г - высота шашечного гасителя. Н.В. Крупнов /2/ отмечает большое влияние этого параметра на C_D2 в диапазоне изменения от 1 до 3, далее это влияние ослабевает. Автор объясняет такую зависимость распределением скоростей потока позади гасителей первого ряда: наличием так называемого следа (зоны нулевых и отрицательных скоростей течения) позади гасителя и зоны повышенных скоростей между гасителями.

Коллектив ученых во главе с Д.М. Туаги /5/ исследовал осредненную и пульсационную составляющие реакции водобойной стенки и шашечных гасителей. Выявлено убывание этих величин с отдалением гасителей от сжатого сечения, а также увеличение реакции с ростом относительного расстояния между шашечными гасителями.

Проведенные исследования позволили выявить механизм взаимодействия турбулентных струй при обтекании призматических преград с различным относительным расстоянием между рядами и относительной шириной . Учет природы формируемых вихрей при обтекании шашечных гасителей и их взаимодействие между собой будет способствовать снижению негативного влияния избыточной кинетической энергии потока и даст возможность разработать более оптимальную конструкцию устройств нижнего бьефа.

Литература

1. Устройства нижнего бьефа водосбросов. / Под ред. проф. Розанова Н.П. - М.: Колос, 1984. - 269 с.

2. Крупнов Н.В. Гидродинамическое воздействие потока на гасители энергии и борьба со сбойными течениями в нижнем бьефе плотин низкого и среднего напора: автореф. … канд. техн. наук: 05.23.07. - М.: МГМИ, 1984. - 22 с.

3. Roberson J.A., Chi Yu Lin, Scott Rutherford G., Stine M. D. Turbulence effects on drag of sharpedged bodies. // Proceedings of ASCE. Journal of the Hydraulics Division. - 1972. - Vol.98, №7. - Р.1187-1203.

4. Аубакирова Ф.Х., Волненко А.А. Характеристики лобового сопротивления шашечных гасителей энергии // Наука и образование Южного Казахстана. - 2009. - №5 (78). - С.73-76.

5. Tuagi D.M., Pande P.K., Mahendra K. Mittal Drag on baffle walls in hydraulic jump // Proceedings of ASCE. Journal of the Hydraulice Division. - 1978. - Vol.104, №4. - Р.515-525.

Размещено на Allbest.ru