Проектное обоснование конструкции концевого участка водосброса с кольцевым выпуском потока

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Приводятся данные о влиянии высоты расположения диска - отражателя и глубины потока за концевым участком на характер сопряжения кольцевой струи, сходящей с диска, с нижним бьефом. Показана возможность обеспечения поверхностного режима сопряжения при известной скорости выхода струи из вертикального водовода и определённом соотношении указанных величин. Приводятся эмпирические зависимости, позволяющие просто определять требуемые размеры концевого участка.

Достоинствами водопропускных сооружений с вертикальным выходом [1] и кольцевым выпуском потока (рис. 1) являются возможность обеспечения напорного движения по всей длине транзитной части (5) и малый удельный расход q при сходе потока с диска - отражателя. (2). Внедрение этой перспективной конструкции в проектную практику сдерживается недостаточной изученностью особенностей характера сопряжения потока, сходящего с диска - отражателя в виде кольцевой струи, с нижним бьефом.

Кинематическая структура потока за концевым участком сооружения изучалась на модели, прототипом которой являлся водосброс c диаметром вертикального водовода (1) d = 4,5 м, пропускающий расходы в диапазоне 230…400 м3/c. Опыты проводились при соотношениях диаметров D диска - отражателя (2) и d выходного сечения (4) водовода: D/d = 1,11; 2,22 и 3,33. В каждом из этих случаев менялись высота расположения t диска над уровнем выходного сечения и глубина h воды за концевым участком, отнесённые к диаметру d: t/d = 0,55; 0,83; 1,11; 1,39 и h/d = 0,5; 0,75; 1,1.

Рис. 1. Концевой участок напорного водопропускного сооружения: 1 - вертикальный водовод; 2 - диск - отражатель; 3 - бычки обтекаемой формы; 4 - выходное сечение водовода; 5 - транзитная часть сооружения

Опыты показали, что режим сопряжения кольцевой струи с нижним бьефом может быть поверхностно- донным или поверхностным. В первом случае транзитная струя распространяется у поверхности с образованием под ней вальца, придонные скорости в ко тором направлены противоположно общему движению потока.

На удалении от концевого участка струя «садится» на дно отводящего русла, а над ней формируется валец поверхностный. Ясно, что удельный расход в месте «посадки» струи оказывается много меньше, чем при её выходе из под диска - отражателя, однако скорости потока здесь довольно велики. При поверхностном режиме происходит плавное расширение струи, распространяющейся над придонным вальцом, в вертикальной плоскости с образованием волн на её образованием волн на её поверхности. Соприкосновение транзитной струи с дном русла происходит на значительном удалении от концевого участка при относительно малых придонных скоростях.

Обращает на себя внимание различие характера кинематической структуры потока за концевым участком при одном и том же расходе в случае «малого» относительного диаметра диска-отражателя (D/d = 1,11) и при значениях этой величины, равных 2,22 и 3,33. В первом случае поперечное сечение струи, сходящей с диска оказывается заметно большим, чем при дисках большего диаметра, что говорит о высокой степени её аэрации, причём поток не только аэрирован, но и раздроблен на отдельные струйки. Скорости в них, как поверхностные, так и придонные, оказываются весьма большими (до 15 м/c в пересчёте на натуру), что приводит к весьма нестабильному режиму в нижнем бьефе и может вызвать значительные размывы за концевым участком. Причиной такого состояния потока является то обстоятельство, что под диском-отражателем большого диаметра формируется компактная кольцевая струя с радиальными скоростями почти горизонтального направления. В случае «малого» диска часть компактной струи, выходящей из вертикального водовода, из-за расширения струи по мере подъёма, проходит, не соприкасаясь с диском. Эта часть потока имеет почти вертикальное направление скорости, и, поднимаясь, дробится на отдельные струйки, которые, падая, вызывают дробление потока в целом, приводя к нестабильности его режима.

Аэрация струи возникает и при дисках больших размеров. Так, расход, определённый расчётом по эпюре скоростей при её выходе из-под диска-отражателя оказался примерно на 30 % меньше, чем в конце поверхностного вальца. Однако в этом случае растекание потока происходит более спокойно, а придонные скорости имеют меньшие значения. Эти обстоятельства позволяют полагать, что применение дисков-отражателей малого размера является нецелесообразным.

Результаты исследований показали, что режим сопряжения потока с нижним бьефом является, при относительно малых глубинах в нём, поверхностно-донным. При этом под струёй, непосредственно у схода последней с диска - отражателя, формируется валец с придонными скоростями, составляющими до 0,1 от средней скорости v0 в выходном сечении вертикального водовода (в пересчёте на «натуру» - до 2,5 м/с). Второй валец (поверхностный) возникает над транзитной струёй после её «посадки» на дно. Придонные скорости в этой зоне достаточно велики и достигают 0,4v0.

С увеличением относительной глубины h/d до значения 1,1 режим сопряжения меняется на чисто поверхностный, с формированием вальца у дна и ряда затухающих волн на поверхности струи. Придонные скорости в зоне вальца и в этом случае не превышают указанных ранее величин. Характеризовать размеры придонного вальца удобно через длину отлёта струи, сходящей с диска - отражателя. В ходе исследований получены данные по величинам относительного отлёта струи l/d при разных скоростях потока в выходном сечении вертикального водовода, относительных глубинах нижнего бьефа и соотношениях геометрических размеров концевого участка водовода.

Для удобства анализа и использования этих данных построены графики зависимости относительной длины отлёта l/d от относительных размеров концевого участка D/d, t/d, относительной глубины нижнего бьефа h/d и отношения высоты расположения диска к глубине нижнего бьефа t/h - рис. 2, 3. Здесь длина l отсчитывается от оси вертикального водовода до точки с нулевыми придонными скоростями.

Следует отметить отличие в характере графиков зависимостей l/d = f(h/d) для концевых участков с дисками-отражателями «малого» (рис. 2) и «больших» (рис. 3) диаметров в первом случае величина отлёта струи стабильно уменьшается с ростом глубины нижнего бьефа, тогда как во втором при увеличении относительной глубины свыше h/d = 0,75 наблюдается резкий подъём графика. Очевидно, связано это с отмеченной выше разницей условий схода кольцевой струи с дисков-отражателей разных размеров.

При «малом» диске струя, сходящая с него, как было показано ранее, отклоняется кверху из-за того, что часть компактной струи проходит, не соприкасаясь с диском и вызывая подъём кольцевой струи. Поэтому падение струи сходящей происходит под значительным углом к горизонту. С ростом глубины за концевым участком потери энергии вертикальной компактной струи растут, результатом чего является уменьшение высоты подъёма и длины отлёта кольцевой струи, и поверхностно-донный режим сопряжения с нижним бьефом.

При диске «большого» диаметра струя сходит с него, имея практически горизонтальное направление скорости, как это происходит в случае схода с горизонтального уступа.

Рис. 2. Графики зависимости l/d = f(h/d; t/d) при D/d = 1,11; v0 = 14,5м/c;19м/c; 22,5м/c; t/d = 0,55 t/d = 0,83 t/d = 1,11 t/d = 1,39

Резкий рост длины отлёта здесь объясняется формированием поверхностного гидравлического режима сопряжения, когда транзитная струя проходит над придонным вальцом и прижимается к дну, потеряв большую часть избыточной энергии. Легко видеть, что отличие указанных графиков для обоих «больших» дисков невелико. Это указывает на завершённость формирования горизонтальной кольцевой струи на сходе с диска.

Рис. 3. Графики зависимости l/d = f(h/d; t/d; D/d). а - v0 = 14,5 м/c; б - v0 = 19 м/c; в - v0 = 22,5 м/c; - D/d = 3,33; - D/d = 2,22; t/d = 0,55 t/d = 0,8 t/d = 1,11 t/d = 1,39

Приведенные данные позволяют получить и некоторые количественные оценки величины отлёта струи в зависимости от указанных ранее факторов.

Рис. 4. Графики зависимости l/d = f(t/h; t/d; D/d). а - v0 = 14,5 м/c; б - v0 = 19 м/c; в - v0 = 22,5м/c; - D/d =3,33; D/d = 2,22; t/d = 0,55 t/d = 0,83 t/d = 1,11 t/d = 1,39

Так анализ графиков зависимости относительной длины отлёта струи для дисков, относительные диаметры D/d которых равны 2,22 и 3,33 от соотношения высоты расположения диска-отражателя и глубины в нижнем бьефе при разных скоростях в выходном сечении вертикального водовода и относительных высотах расположения диска (рис. 4) показал следующее. Углы наклона прямых, разделяющих поля графиков, которые соответствуют поверхностно - донному и поверхностному режимам сопряжения при всех рассмотренных скоростях выхода струи примерно одинаковы, и эти прямые могут быть описаны зависимостью

l/d пред = а + 0,67(t/h)min, (1)

где l/dпред - координаты точек указанной прямой. Внимательно рассмотрев графики, заметим, что величина отрезка а на оси l/d примерно равна 0,2 v0. Таким образом, зависимость относительной длины отлёта струи от высоты расположения диска-отражателя, глубины в нижнем бьефе и скорости струи в выходном сечении водовода может быть представлена в виде

l/dпред = 0,2 v0 /v* + 0,67(t/h)min, (2)

где v* = 1 м/с, а (t/h)min - минимальное отношение высоты расположения диска-отражателя к глубине нижнего бьефа, обеспечивающее переход к поверхностному режиму сопряжения потока при определённом диаметре выходного сечения. Из графиков рис. 3 видно, что, независимо от скорости в выходном сечении вертикального водовода, значения (t/h)min остаются примерно одинаковыми для каждого из опытных значений t/d. Связь между этими величинами может быть выражена следующим образом

(t/h)min = 1,54 t/d - 0,31, (3)

Эти зависимости позволяют назначать размеры концевого участка так, чтобы сопряжение бьефов при расчётном расходе осуществлялось в благоприятном режиме поверхностного прыжка и, в сочетании с приведенными графиками, дают возможность оценить глубину размыва, как при расчётном, так и при нерасчётных расходах. В технической литературе нам не удалось найти каких либо рекомендаций по расчёту размыва радиально растекающимся потоком, каким является поток, сходящий с диска - отражателя.

Наиболее подходящим к нашему случаю (рис. 5.) можно считать метод расчёта размыва потоком, сходящим с трамплина или консоли по схеме рис.6,6, предложенный Б.И. Студеничниковым [2]. При этом за пол консоли примем нижнюю поверхность кольцевой струи, а за свободную поверхность последней - нижнюю кромку диска.

Рис. 5. Расчётная схема к определению глубины размыва за концевым участком по Б.И. Студеничникову

Рис. 6. Значение коэффициента kкон в зависимости от формы концевого участка: 1, 2, 3 - плоская задача; 4 - полупространственная задача; 5, 6 - пространственная задача

Согласно этому методу глубина hр воды в воронке при размыве мелкозернистого грунта может быть определена по зависимости:

 , (4)

где kкон = 0,4; kа = 1; ; удельный расход потока: на сходе с диска-отражателя q1 = Q/D, в месте «посадки» струи на дно q2 = Q/2l ; d50 - средний диаметр частиц грунта в воронке размыва; - коэффициент скорости, который близок к единице.

Удельная энергия струи:

.

Выполним расчёт для случая Q = 300 м3/c, d = 4,5 м, D/d = 2,22, t/d = 0,55 и h/d = 0,5, относительная длина отлёта l/d струи в котором, согласно рис. 3, составляет 3,27. С учётом соотношения величин t и h можно считать:

.

Ясно, что приведенная зависимость не учитывает уменьшения удельного расхода по мере удаления от оси водовода, поэтому величина размыва, вычисленная для расхода q = q1, будет заведомо завышенной, тогда как расчёт для q = q2 может дать излишне оптимистичные результаты. Видимо, действительную глубину воды в яме размыва следует искать в указанном промежутке.

Результаты расчёта для грунтов разной крупности приведены в таблице.

Табл. 1. Результаты расчёта глубины размыва за концевым участком водосброса с кольцевым выпуском потока

напорный водопропускной размыв

Как видно из данных таблицы, уже при среднем диаметре грунта, равном 12 мм, глубина воронки размыва составит около 3…4 м, что представляется вполне допустимым. Можно полагать, что при скальных породах русла опасных размывов ожидать не следует. Таким образом, приведенные в настоящей работе данные по характеру сопряжения кольцевой струи, сходящей с диска - отражателя позволяют обоснованно назначить размеры концевого участка и оценить глубину возможного размыва за ним.

Литература

1. Бахтин Б.М., Расуанандрасана М.Ж.. Концевой участок напорного водопропускного сооружения. - Патент на изобретение № 2211279 С2 кл Е 02 В 8/06 от 27. 11. 2000.

2. Лаппо Д.Д., Векслер А.Б. Войнич - Сяноженций Т.Г., и др., - Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 624 с.

Размещено на Allbest.ru