НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

КЛЮХА ОКСАНА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 532,5:626

ГІДРАВЛІКА ПОТОКУ ЗА ОДНОПРОГІННИМИ ШЛЮЗАМИ-РЕГУЛЯТОРАМИ, ОБЛАДНАНИМИ КЛАПАННИМИ ЗАТВОРАМИ,

З УРАХУВАННЯМ ОСОБЛИВОСТЕЙ БІЛЯКРИТИЧНИХ ТЕЧІЙ

05.23.16 – гідравліка та інженерна гідрологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рівне-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, Ловцов Володимир Борисович, Національний університет водного господарства та природокористування, доцент кафедри гідротехнічних споруд.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Поляков Вадим Леонтійович, Інститут гідромеханіки Національної академії наук України, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент, Цивін Михайло Наумович, Інститут гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук, завідувач відділенням гідротехніки.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра гідравліки та водовідведення, м Київ.

Захист відбудеться “ 8 ” червня 2006 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 в Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33028, м. Рівне, вул. Соборна, .

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету водного господарства та природокористування за адресою: 33018, м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий “ 7 ” травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент В.П. Востріков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У практиці водогосподарського будівництва на Україні широкого застосування набули відкриті шлюзи-регулятори із клапанними затворами, що влаштовуються на річках, каналах, гідромеліоративних системах, у складі відкритих берегових водоскидів та в інших випадках. В останні десятиріччя такі регулятори стали домінуючим типом регулюючих споруд осушувальних і осушувально-зволожувальних систем України з витратами більше 10 м3/с. Характерно, що на окремих системах кількість однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами сягає до 65% загальної кількості регулюючих споруд. Матеріали інституту “Укрводпроект” свідчать про випадки руйнування елементів кріплення та істотних розмивів у нижньому б’єфі шлюзів-регуляторів ряду гідромеліоративних систем (наприклад, регулятори №№ , Здвизької та №№ , , Ірпінської систем).

Аналіз гідравлічного режиму відкритих шлюзів-регуляторів із клапанними затворами, лабораторні та натурні дослідження вказують на формування за певних умов хвилеподібних білякритичних течій у нижньому б’єфі таких споруд. Хоч діапазон їх існування відносно невеликий у порівнянні з іншими режимами, проте такі течії часто утворюються в процесі маневрування затворами при регулюванні рівнів верхнього і нижнього б’єфів та величини скидної витрати, причому обминути зону існування цих течій вдається далеко не завжди. Характерно, що хвилеподібні білякритичні течії зумовлюють виникнення повільнозатухаючих підвищених швидкостей по довжині відвідного русла, появу небажаних макропульсацій тиску на дно і укоси, що призводить до руйнування кріплення та розмивів нижнього б’єфу. Капітальні ремонти кріплення потребують значних матеріальних витрат, які можуть перевищувати початкову вартість споруд на порядок. Необхідно підкреслити, що нормативні документи взагалі не допускають виникнення білякритичних течій у земляних каналах.

Як правило, при проектуванні шлюзів-регуляторів виникнення білякритичних течій не береться до уваги, а розрахунковим для них приймається класичний випадок досконалого гідравлічного стрибка з утворенням поверхневого вальця. Враховуючи широке застосування зазначених споруд, відомі випадки руйнувань кріплення нижнього б’єфу та розмивів відвідного русла, недостатню вивченість особливостей спряження б’єфів за низьконапірними водоскидами з клапанними затворами, можна зробити висновок, що проблема вивчення білякритичних течій та врахування їх особливостей при проектуванні й експлуатації однопрогінних шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, є досить актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок вивчення гідравліки потоку за однопрогінними шлюзами-регуляторами, обладнаними клапанними затворами, з урахуванням особливостей білякритичних течій є складовою наукових досліджень кафедри гідротехнічних споруд НУВГП, які проводилися у відповідності з тематичними планами держбюджетних і госпдоговірних науково-дослідних робіт університету та галузевими програмами Держводгоспу України. Робота “Дослідження умов існування різних типів білякритичних течій в безнапірних потоках”, в якій автор брала участь як молодший науковий співробітник, здійснювалась на замовлення МОН України з державним реєстраційним номером 0193 U 0033589. Дослідження виконувалися в рамках комплексної теми IV-86-17 “Удосконалення конструкцій, методів розрахунку, проектування, технології будівництва і експлуатації осушувально-зволожувальних систем”.

Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є вивчення особливостей гідравліки потоку за однопрогінними шлюзами-регуляторами з клапанними затворами та розробка рекомендацій для вибору раціональної конструкції, розмірів і місця розташування гасителів надлишкової енергії в нижньому б’єфі зазначених споруд. Досягнення поставленої мети здійснювалося вирішенням наступних задач досліджень:

-

-

-

-

-

-

Об’єктом дослідження є низьконапірні відкриті однопрогінні шлюзи-регулятори, обладнані клапанними затворами.

Предметом дослідження є геометричні, динамічні й кінематичні характеристики потоку та умови існування білякритичних течій, які виникають у межах зазначених регуляторів.

Методи досліджень. Теоретичними і методичними засадами дослідження стали фундаментальні праці у галузі гідравліки, гідромеханіки та гідротехніки. При вивченні гідравлічних умов роботи однопрогінних шлюзів-регуляторів використовувався метод експериментальних досліджень. При обробці отриманих матеріалів – методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених досліджень та розроблені технічні рішення увійшли до виданих на замовлення Держводгоспу України “Рекомендацій для гідравлічного розрахунку однопрогінних шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, з урахуванням особливостей білякритичних течій”. Запропонована конструкція нижнього б’єфу для однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами захищена патентом України на винахід №21034 А. Зазначені пропозиції впроваджено інститутом “Укрводпроект” в ТЕО “Покращення водогосподарської обстановки і використання земель басейну р. Горинь в зоні впливу водозаборів м. Рівне” та в робочому проекті “Шлюз-регулятор №3 на р. Горинь”. Цей регулятор був зданий в експлуатацію у 1999 р. і за 7-річний період показав надійну роботу впровадженої конструкції нижнього б’єфу.

Особистий внесок здобувача. Проведення експериментів, обробка та осмислення отриманих результатів, корегування програми і методики наступних досліджень, формулювання висновків тощо здійснювалися здобувачем самостійно. Особисто автором зроблено наступне:

-

-

-

-

-

-

-

Розроблені “Рекомендації для гідравлічного розрахунку однопрогінних шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, з урахуванням особливостей білякритичних течій” в частині, що стосуються однопрогінних регуляторів, написані з використанням результатів експериментальних досліджень здобувача. Всі наукові положення, які виносяться на захист, розроблені автором самостійно. Спільні публікації та винахід виникли, як результат колективної праці і створювалися всіма зазначеними співавторами.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, що включені до дисертації доповідалися на науково-технічних конференціях викладачів, співробітників, і студентів НУВГП (м. Рівне, 1992р., 1993р., 1995-2001р.р.), міжнародній науково-технічній конференції по гідротехніці (м. Санкт-Петербург, 1993р.) міжнародних науково-практичних конференціях КНУБА (м. Київ, 1999, 2001, 2005 р.р.), І І І Міжнародній науково-практичній конференції “Екологія. Енергозбереження. Економіка.” (м. Суми, 2005 р.), науково-практичній конференції “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку” (м. Київ, 2003 р.), науково-практичній конференції “Наукові засади сталого розвитку водного господарства і меліорації земель в сучасних умовах” (м. Київ, 2005 р.).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 12 праць, із них 5 статей у фахових виданнях, отримано патент України на винахід N  А та видані “Рекомендації для гідравлічного розрахунку шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, з урахуванням особливостей білякритичних течій”.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація викладена на 188 сторінках машинописного тексту, який ілюструється 11 таблицями, 39 рисунками та 2 фотографіями і складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 176 найменувань (34 – іноземною мовою) та додатків (на 18 сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукове і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі дається короткий огляд та критичний аналіз робіт з вивчення умов виникнення та існування гідравлічних режимів, швидкісної структури і геометричних характеристик потоків у нижньому б’єфі низьконапірних водоскидних споруд. Цією проблемою займалися багато учених, серед них: Б.О. Бахмєтєв, Г.Й. Сухомел, В.В. Смислов, М.М. Біляшевський, О.Я. Олійник, М.Г. Пивовар, І.І. Калантиренко, В.А. Шаумян, М.М. Скиба, Є.В. Єременко, А.І. Модзалевський, П.І. Коваленко, А.М. Тугай, В.Д. Дупляк, С.К. Кузнецов, В.Б. Ловцов, І.І. Науменко, О.І. Костін, П.К. Цвєтков, Г.Ф. Кулик, А.Ф. Дмитрієв, Т.І. Зима, М.М. Хлапук, О.А. Рябенко, В.Т. Чоу, Дж.Н. Бредлі, А.Дж. Петерка, А.М. Бінні, П.О. Девіс, Дж.С. Оркні, В.Х. Хаґер та інші.

Аналіз праць, пов’язаних з проектуванням низьконапірних водоскидних споруд, показав, що класифікація режимів спряження б’єфів та з’ясування умов їх існування мають надзвичайно велике значення для здійснення розрахунків водоскидних гідротехнічних споруд, раціонального проектування кріплення та гасителів енергії. У роботах М.М. Біляшевського, М.Г. Пивовара, О.Я. Олійника, І.І. Калантиренка, Є.В. Єременка, В.Н. Туркіна, В.Б. Ловцова, Т.І. Зими та інших відзначається, що перехід від донного незатопленого до поверхневого затопленого режимів відбувається через проміжні хвилеподібні режими.

Проаналізовані залежності Беланже_Релея, В.В. Смислова, А.А. Турсунова, А.І. Модзалевського, М.М. Сунцова, А. Іппена, Д. Харлемана, К. Фрідріхса, Д. Хайєрса, С. Рассела, М.М. Моісєєва, А.М. Тер-Крикорова, О.А. Рябенка для визначення другої спряженої та максимальної глибин білякритичних явищ. Характерно, що всі згадані залежності отримані для плоских умов.

Основна частина відомих досліджень низьконапірних водоскидів не охоплює випадку однопрогінних шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами. Для таких споруд режими спряження б’єфів, основні висотні розміри потоку, його кінематичні та динамічні характеристики вивчені недостатньо, а існуючі типові схеми розрахунку розроблені для плоских умов і потребують удосконалення.

Потреба в удосконаленні схеми розрахунку та конструкції нижнього б’єфу низьконапірних однопрогінних шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, з урахуванням особливостей білякритичних течій у просторових умовах переконливо свідчить про актуальність даної наукової проблеми.

У другому розділі описуються використані методики експериментальних досліджень білякритичних течій у просторових умовах на моделі споруди ШРП2,5...30,5)1, побудованій у відповідності до типового проекту ТПР в лабораторії кафедри гідротехнічних споруд НУВГП (див. рис.1).

ПЛАН

Рис. 1. Схема моделі споруди ШРП (82,5...30,5)1 (варіант моделі А): 1 – сітковий гаситель; 2 – гаситель із металевих трубок O10 см, l = 50 см; 3 – стояки регулятора; 4 – клапанний затвор регулятора; 5 – клапанний затвор для регулювання рівня нижнього б’єфу; 6 – ділянка із приймальними отворами; 7 – бетонна поверхня; I – VII – вимірювальні створи у нижньому б’єфі (розміри та відмітки дані у сантиметрах)

Лінійний масштаб моделі був прийнятий 1/ /14 натуральної величини при геометричній подібності всіх її елементів. Було досліджено 4 варіанти конструкції перехідної ділянки між спорудою та відвідним руслом. У моделі А центральний кут розширення  = 60, у моделей Б, В, Г – відповідно  = 40, 20 і 0. Для отримання геометричних, динамічних й кінематичних характеристик білякритичних течій, викривлених у вертикальній площині, в нижньому б’єфі споруди було влаштовано 82 донних п’єзометрів із кроком 5 см. У проведених дослідах вивчався розподіл у поперечних перерізах та по довжині потоку як осереднених, так і максимальних миттєвих швидкостей. Вивчення характеру зміни вказаних швидкостей на моделі здійснювалось за допомогою гідрометричних мікровертушок типу Х-6, які підключалися до лічильника імпульсів системи НІМІ. Можливість використання мікровертушок для вивчення характеристик турбулентних потоків, методика оцінки похибок при вимірюванні за рахунок інерційності та дискретності відліку розглядалась у роботах П. Бредшоу, П.М. Бурцева, М.І. Бирицького, Г. В. Железнякова, М.М. Алтая, М.Н. Цивіна, В.Я. Савенка, Дж. Беннета та інших учених.

На основі отриманих значень критеріїв Кохрана і Фішера та порівняння дослідних даних із розподілом Стьюдента випадкових величин було встановлено, що вибіркові дисперсії відтворюваності паралельних дослідів є однорідними, досліджувані величини другої спряженої глибини підпорядковуються нормальному закону розподілу випадкових величин, рівень відтворюваності характеристик потоку на експериментальній установці є достатньо високим (Gр ,28 ,63Т), а прийнята розрахункова схема білякритичних течій є адекватною реальним явищам.

Основні параметри дослідів, виконаних на лабораторній установці для вивчення характеристик потоку в нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами, представлені у табл. 1.

Таблиця 1

Основні параметри проведених дослідів

Витрата | Висота підняття затвора | Кут нахилу затвора до горизонту | Параметри потоку у початковому перерізі

Глибина | Коефіцієнт негідростатичності | число Фруда

Q, л/с | р, см | б, град. | h1, см | s1 | Fr1

27,3-67,8 | 0-5,4 | 0-13,5 | 3,0-18,7 | 1,0-1,3 | 0,08-7,14

Третій розділ присвячений дослідженню режимів та висотних розмірів потоку в нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами у просторових умовах їх роботи.

Гідравлічна схема роботи споруд, обладнаних клапанними затворами, якісно відрізняється від роботи шлюзів-регуляторів з плоскими затворами, що працюють за схемою витікання води з-під щита (див. рис. ).

Рис. . Порівняння гідравлічних умов формування стисненої глибини: а – при витіканні з-під плоского затвора, б – при переливі через клапанний затвор; 1 – типовий гаситель, 2 – кінець берегового стояка

При витіканні води з-під плоского затвора стиснена глибина hс визначається висотою підняття затвора hЗ, причому внаслідок невеликих значень цієї висоти стиснена глибина hс= a hЗ?(a – коефіцієнт вертикального стиснення) є відносно невеликою, через що числа Фруда в стисненому перерізі Frс=с2/ghс (vс – середня швидкість у розглядуваному перерізі; g – прискорення вільного падіння) є досить великими. У випадку клапанного затвора (див. рис. , б) стиснена глибина hс формується при вільному переливі води над затвором, досягаючи при цьому досить великих значень, через що числа Фруда в стисненому перерізі істотно (на один – два порядки) менші, ніж у попередньому випадку.

Таким чином конструктивні особливості клапанних затворів сприяють утворенню білякритичних течій у нижньому б’єфі розглядуваних споруд. У результаті проведення експериментів були виділені форми спряження б’єфів за однопрогінними регуляторами із клапанними затворами, показані на рис. 3.

Рис. . Типи режимів спряження б’єфів за однопрогінним шлюзом-регулятором з клапанним затвором у групі дослідів: а – косі стрибки з просторовою структурою (к.с), б – стрибок з поверхневим вальцем (с.п.в) (досконалий гідравлічний стрибок), в – хвилястий стрибок (х.с), г – кноїдальні хвилі (к.х), д – безстрибкове вальцеве спряження б’єфів (б.в.с); 1 – крива вільної поверхні, 2 – п’єзометрична лінія, 3 – кінець берегового стояка, 4 – лінія тиску нижнього б’єфу, 5 – епюра дефіциту тиску на ділянці за стояками

При вивченні режимів спряження б’єфів за однопрогінними регуляторами з клапанними затворами були проаналізовані наступні критерії опису цих режимів:?z/H0, hп/E0, hп/P, z/P, hп/H0, z/E0?(див. рис. ). Проведені дослідження показали, що границі існування виділених режимів зручно описувати функцією z/E0(Q/Qmax), показаною на рис. . Для співставлення отриманих в дослідах даних про умови існування різних типів режимів спряження б’єфів у просторових умовах за шлюзами-регуляторами із клапанними затворами на цей рисунок нанесені експериментальні точки М.М. Біляшевського та його колег. Ці дані були отримані в Інституті гідромеханіки АН України стосовно плоских умов для схеми низьконапірного щитового водоскиду з утворенням білякритичних течій з хвилястою поверхнею. Хоч у порівнюваних випадках схеми досліджуваних споруд є різними, отримані результати добре узгоджуються як в якісному, так і кількісному відношеннях.

Як видно з рис. , перехід від явищ, які утворюються при мінімальних глибинах нижнього б’єфу до явищ з максимальними глибинами нижнього б’єфу (і навпаки) відбувається через зону, що відповідає існуванню білякритичних течій з хвилеподібною поверхнею.

Рис. . Границі різних типів режимів спряження б’єфів за шлюзами-регуляторами із клапанними затворами у безрозмірних координатах?z/E0 f(Q/Qmax): 1 – косі стрибки, 2 – стрибок з поверхневим вальцем, 3 – хвилястий стрибок, 4 – кноїдальні хвилі, 5 – безстрибкове вальцеве спряження б’єфів; 6 і  – відповідно верхня і нижня границі утворення хвилеподібних білякритичних течій

Функція z/E0(Q/Qmax) є зручною для використання у практичних розрахунках і апроксимується для досліджуваних споруд серією залежностей прямих:

косі стрибки – z/E0 – 0,0281(Q/Qmax) + 0,5582, (1)

стрибок з поверхневим вальцем – z/E0 – 0,0496(Q/Qmax) + 0,4913, (2)

хвилястий стрибок – z/E0 – 0,0936(Q/Qmax) + 0,4521, (3)

кноїдальні хвилі – z/E0 – 0,1114 (Q/Qmax) + 0,3952, (4)

безстрибкове вальцеве спряження б’єфів – z/E0 – 0,1192(Q/Qmax) + 0,3425, (5)

верхня межа хвилястих режимів – z/E0 – 0,1025(Q/Qmax) + 0,4237, (6)

нижня межа хвилястих режимів – z/E0 – 0,0389(Q/Qmax) + 0,5247.(7)

З практичної точки зору для білякритичних течій надзвичайно важливо знати їх основні висотні розміри, тобто глибини – початкову (або першу спряжену) h1, другу спряжену h2, а якщо вільна поверхня потоку має хвилястий характер, то і максимальну hВ, яка спостерігається під вершиною однієї з перших хвиль. Існує ряд залежностей, що пов’язує ці глибини. Проте всі вони отримані для плоских умов і не враховують просторовий характер роботи споруд. На основі проведених досліджень запропоновано враховувати вплив просторового фактора за допомогою поправочного коефіцієнта КМ М2/М1, де М2 та М1 – значення стрибкової функції відповідно у перерізах з другою і першою спряженими глибинами. Ці величини можна обчислити за залежностями, у яких індекс “1” відповідає перерізу з першою, а індекс “2” _перерізу з другою спряженою глибиною:

, (8) , (9)

де щ – площа поперечного перерізу потоку, y _ глибина занурення центра ваги розглядуваного переріза, яка для русел із трапецевидним перерізом визначається:

. (10)

Значення коефіцієнта просторовості Км стосовно розглядуваного типу шлюзів-регуляторів при різних кутів планового розширення споруди можна знаходити за графіками (див. рис. .), для побудови яких використана допоміжна глибина у перерізі з другою спряженою глибиною

, (11)

де b2?– ширина каналу знизу;?m2?– коефіцієнт закладання укосів у цьому перерізі.

Рис. . Рекомендовані криві залежності для коефіцієнта просторовості

Залежності, що враховують просторовий характер роботи досліджуваних споруд, при визначенні другої спряженої глибини білякритичних течій та максимальної глибини хвилеподібних білякритичних течій, мають такий вигляд:

, (12)

, (13)

, (14)

, (15)

де k1, в1 _ відповідно коефіцієнти гідродинамічного тиску і потенціальної енергії у перерізі з першою спряженою глибиною;  _ число Фруда в тому ж перерізі; б2 і б02 – відповідно коефіцієнти кінетичної енергії і кількості руху в перерізі з другою спряженою глибиною. У практичних розрахунках коефіцієнти k1 і в1 зручно виражати через коефіцієнт негідростатичності s1, який є відношенням величини п’єзометричного тиску на дні потоку hпд1, вираженого у висоті водного стовпа, до глибини h1, у тому ж перерізі за умови параболічного закону розподілу гідростатичного тиску:

, (16) . (17)

Таким чином другу спряжену глибину білякритичних течій, утворюваних у нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів із клапанними затворами, з урахуванням фактора просторовості у всьому можливому діапазоні чисел Фруда Fr1 можна знаходити за формулою (13), а при числах Фруда Fr1 ? 1,3 та значенні коефіцієнта негідростатичності s1 ? 1,1 – за більш простою формулою (12). Максимальну глибину білякритичних течій із хвилеподібною поверхнею можна знаходити за формулою (14), що рекомендується при 0,15 < Fr1 < 1,5, та за формулою (15) – при 1,5 ? Fr1 < 4,0, які враховують фактор Км просторової роботи шлюзів-регуляторів. Порівняння експериментальних даних із теоретичними, підрахованими за формулами (12) _) з урахуванням фактора просторовості, показало їх хорошу збіжність.

На установці з невеликим поздовжнім похилом дна у межах спокійного потоку в нижньому б’єфі шлюза-регулятора, як правило, формується крива спаду типу b1. Тому глибина води є змінною по довжині лотоку і необхідно розрізняти побутову глибину в нижньому б’єфі Ннб і другу спряжену h2. Відношення?зазначених?величин?змінюється?у?досить?вузьких?межах

= ,00 ч 1,09.?У?подальших?розрахунках?можна?рекомендувати

знаходити?другу?спряжену?глибину?білякритичних?течій?згідно?залежності

, ?а середнє значення коефіцієнта  = 1,05.

Четвертий розділ присвячений вивченню кінематичних і динамічних характеристик потоку та вибору раціональної конструкції гасителів у нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів із клапанними затворами. Щоб правильно запроектувати облаштування нижнього б’єфу споруди та зменшити вірогідність руйнації, необхідно визначити розмивну дію потоку. Експериментальні дослідження кінематичної структури білякритичних течій дозволили отримати чітку кількісну інформацію, необхідну для остаточного вирішення питання про вибір оптимальної конструкції гасителів стосовно різних варіантів конструкції нижнього б’єфу шлюзів-регуляторів. При цьому найбільшу увагу було приділено дослідженню придонних швидкостей, оскільки саме вони є одним із головних чинників, що визначають стійкість елементів кріплення нижнього б’єфу та частинок ґрунту відвідного русла. Отримана таким чином інформація про розподіл максимальних миттєвих і осереднених придонних швидкостей по ширині і довжині нижнього б’єфу дозволяє чітко оцінити вплив гасителів різних типів на рівномірність розподілу скидної витрати по ширині відвідного русла, виявити наявність (чи відсутність) за спорудою водоворотів з вертикальною віссю обертання, оцінити стійкість ґрунту проти розмиву тощо.

Проведені дослідження кінематики потоку в нижньому б’єфі розглядуваних споруд показали, що типові гасителі не забезпечують нормальної роботи нижнього б’єфу у всьому діапазоні змінних умов. При цьому розподіл швидкостей по ширині відвідного русла є досить нерівномірним через виникнення в ряді дослідів водоворотів з вертикальною віссю обертання. Використання рекомендованих гасителів дозволяє забезпечити рівномірний розподіл швидкостей по ширині відвідного русла.

Характер затухання максимальної миттєвої придонної швидкості (у безрозмірній формі?Vд.max /vн.б) по довжині потоку в дослідах із різними типами моделей, витратами, ступенями розширення потоку в плані та глибинами нижнього б’єфу на ділянці, розташованій за останнім використаним гасителем, при відсутності та наявності рекомендованих гасителів показано на рис. 6. Для наочності, випадки відсутності та наявності додаткових гасителів суміщені на одному рисунку, причому його верхня частина відповідає випадку відсутності додаткових гасителів, а нижня – наявності рекомендованого гасителя. Використані досліди підібрані таким чином, що в кожній парі всі характеристики дослідів (тип моделі, витрата, ступінь розширення потоку в плані, глибина нижнього б’єфу) є однаковими, але в дослідах, відображених на верхній частині рисунку, додаткові гасителі відсутні, а на нижній – такі гасителі існують.

Рис. 6. Графіки розподілу відносних максимальних миттєвих придонних швидкостей по довжині потоку у нижньому б’єфі при відсутності та наявності рекомендованих гасителів

Як видно з рис. 6, значення та розподіл максимальних миттєвих придонних швидкостей по довжині потоку при відсутності та наявності додаткових гасителів істотно відрізняються між собою, причому застосування додаткових гасителів дозволяє на 20 – 30% зменшити фактичні значення цих швидкостей.

Одержані дані про розподіл максимальних миттєвих придонних швидкостей по довжині потоку у нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, при наявності додаткових гасителів були співставлені із відповідними результатами експериментів А.Ф. Дмитрієва, Т.І. Зими, М.М. Хлапука, отриманими для випадку однопрогінних регуляторів, обладнаних плоскими затворами, за умови отримання подібного режиму спряження б’єфів при допомозі відповідних гасителів. Порівняння результатів показало їх хорошу якісну і кількісну відповідність (див. рис. ). Це свідчить про те, що для різних типів досліджуваних споруд в обох порівнюваних випадках авторам вдалося підібрати вдалі конструкції та розташування гасителів, які забезпечують сприятливу кінематичну структуру потоку в нижньому б’єфі у межах досліджених умов роботи вищезазначених споруд. Отримані значення відносної максимальної миттєвої придонної швидкості Vд.max /vн.б?в різних перерізах по довжині потоку в області, розташованій за останнім рекомендованим гасителем, можна знайти за формулою (18).

, (18)

де l – віддаль від порогу споруди до даного створу.

У п’ятому розділі наведені результати досліджень геометричних, характеристик хвилеподібних білякритичних течій, отриманих в натурних умовах у нижньому б’єфі однопрогінного шлюза-регулятора № системи “Стубелка”. Проведені натурні експерименти підтвердили можливість утворення хвилеподібних білякритичних течій у нижньому б’єфі шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами. Ці досліди також показали, що отримані на основі лабораторних експериментів дані про умови формування різноманітних гідравлічних режимів та рекомендовані залежності, які враховують просторовий характер роботи розглядуваних споруд, можна використовувати і в натурних умовах. Враховуючи наявність хвиль, велику довжину ділянки хвилеутворення та знакозмінні навантаження на дно і укоси відвідного русла, зроблено висновок, що утворення хвилеподібних білякритичних течій необхідно вважати одним із розрахункових випадків при виконанні гідравлічних розрахунків розглядуваних споруд.

Вибір типу, розмірів і положення гасителів енергії при проектуванні нових та ремонті чи реконструкції існуючих шлюзів-регуляторів з клапанними затворами необхідно здійснювати у відповідності з розробленими рекомендаціями, відображеними на рис.7.

Рекомендовані конструкції облаштування нижнього б’єфу забезпечують у широкому діапазоні зміни гідравлічних умов зосереджене, як правило у межах водобою, погашення надлишкової енергії потоку та зводять до мінімуму можливість утворення в нижньому б’єфі зазначених споруд хвилеподібних білякритичних течій.

Діаметр фракцій захисного матеріалу в області, розташованій після останнього рекомендованого гасителя, можна розрахувати у відповідності з відомою методикою проф. М.М.Біляшевського, для чого значення максимальної придонної швидкості Vд.max у вибраному перерізі необхідно знайти за формулою (18).

Рис. . Рекомендовані конструкції гасителів у нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів: а – bв.р = bс, ґрунти середні; б – bв.р = bс, ґрунти легко розмивні; в – bв.р > bс, ґрунти середні; 1 – типовий гаситель, 2 – додатковий гаситель 4 (5) типу, 3, 4 – додаткові гасителі 3 і 6 типу відповідно

ВИСНОВКИ

1. У дисертації встановлено, що прийняті у типових проектах шлюзів-регуляторів з клапанними затворами конструкції гасителів надлишкової енергії водного потоку не забезпечують нормальної роботи нижнього б’єфу у всьому діапазоні можливих на практиці гідравлічних умов гідравлічних умов. Існуючі методики розрахунків таких регуляторів не враховують можливість формування у нижньому б’єфі білякритичних течій та просторовий характер роботи споруд.

2. Розроблено рекомендації для гідравлічного розрахунку однопрогінних шлюзів-регуляторів обладнаних клапанними затворами, з урахуванням особливостей білякритичних течій. Ці рекомендації дозволяють вибрати найбільш сприятливі гідравлічні режими спряження б’єфів, визначити основні характеристики утворюваних явищ, запроектувати раціональні конструкції облаштування нижнього б’єфу.

3. Уточнено типи режимів спряження б’єфів стосовно просторових умов роботи однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами та встановлено границі існування цих режимів. При цьому для зазначеної схеми споруд встановлено границі існування білякритичних течій з хвилястою поверхнею.

4. Розроблено методику розрахунків другої спряженої глибини білякритичних течій та максимальної глибини хвилеподібних білякритичних течій, яка враховує просторовий характер роботи однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами та можливе викривлення елементарних струминок у вертикальній площині.

5. Рекомендації для вибору раціональної конструкції облаштування нижнього б’єфу шлюзів-регуляторів досить повно враховують важливі для практики особливості роботи таких споруд – наявність чи відсутність типових гасителів, використання різних типів рекомендованих гасителів, різноманітні види ґрунтів в основі споруди, різні ступені розширення потоку в плані. Ці рекомендації забезпечують не тільки прийнятну кінематичну і динамічну структуру потоку, а й зводять до мінімуму можливість утворення в нижньому б’єфі білякритичних течій з хвилястою поверхнею.

6. Проведені лабораторні дослідження охоплюють широкий діапазон зміни гідравлічних умов роботи зазначених споруд, викликаних змінами витрати, глибини нижнього б’єфу, кута нахилу клапанного затвора і здійснені з використанням 4 моделей споруди, 6 типів гасителів і 21 варіанту комбінацій цих гасителів.

7. На основі отриманих даних про дисперсію відтворюваності та критерії Кохрана і Фішера встановлено, що рівень відтворюваності характеристик потоку на лабораторній установці є досить високим (Gр ,28 ,63Тзакон розподілу випадкових величин є нормальним, а прийнята розрахункова схема досліджуваних білякритичних течій, основана на рівнянні їх спряжених глибин, є адекватною реальним явищам, отримуваним на експериментальній установці.

8. Натурні дослідження шлюза-регулятора №2 системи “Стубелка” в Рівненській області показали, що отримані у лабораторних умовах дані про границі існування різноманітних гідравлічних режимів та рекомендовані залежності, які враховують просторовий характер розглядуваних явищ, можна використовувати і в натурних умовах.

9. Розроблені рекомендації впроваджені інститутом “Укрводпроект” в ТЕО “Покращення водогосподарської обстановки і використання земель басейну р. Горинь в зоні впливу водозаборів м. Рівне” та в робочому проекті “Шлюз-регулятор №3 на р. Горинь”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ТА ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК В НИХ АВТОРА

1. Клюха О.О. Вивчення кінематики потоку у нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів // Зб. наук. статей “Актуальні проблеми водного господарства”. - Рівне, 1997. – Т. 1.– С. 63 66.

2. Клюха О.О. Вплив хвилеподібних білякритичних течій на розмивну здатність потоку // Вісник УДАВГ. Зб. наук. праць. – Рівне, 1998. – Вип. 1, ч. 2. – С. 41  44.

3. Клюха О.О Планування, методика проведення та обробки експериментів при вивченні хвилеподібних білякритичних течій у нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторівВісник РДТУ. Зб. наук. праць. – Рівне, 1999. – Вип. 2, ч. .– С. 154  .

4. Клюха О.О. Натурні дослідження білякритичних течій у нижньому б’єфі шлюза-регулятора №2 системи ”Стубелка” // Вісник РДТУ. - Рівне, 2000. - Вип. 5 (7), ч. 1. – С. 99-104.

5. Рябенко О.А., Клюха О.О., Чернобиль О.Є. Вибір оптимальної конструкції нижнього б’єфу шлюзів-регуляторів в умовах утворення білякритичних течій // Вісник РДТУ. – Рівне, 2001. – Вип.4(11). – С.98  105. (Автором виконані лабораторні дослідження однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами, на основі чого здійснено вибір оптимальної конструкції нижнього б’єфу цих споруд).

6. Клюха О.О. Гідравлічні режими у нижньому б’єфі шлюзів-регуляторів з клапанними затворами // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво, Зб. наук. праць. – Рівне, 2005. – Вип. 30. – С. 76  .

7. Дросик Г.І., Клюха О.О. (кер. Ловцов В.Б.), Лабораторні дослідження пропускної спроможності споруди, обладнаної клапанним затворомТези доповідей студентів–переможців конкурсу ім. Гулі Корольової студентської НТК. – УІІВГ. – Рівне. – 1992. – С.  . (Автор брала участь у проведені та опрацюванні експериментальних досліджень коефіцієнта витрати водозливу, обладнаного клапанним затвором для однопрогінних шлюзів-регуляторів).

8. Рябенко О. А., Ловцов В. Б., Данильчук В. М., Клюха О. О. Визначення основних характеристик білякритичних течій в умовах просторової задачіТези доповідей НТК УІІВГ. – Рівне. – 1992. – С. -24. (Автором виконані лабораторні дослідження впливу просторового фактора на другу спряжену та максимальну глибини білякритичних течій, утворюваних у нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів).

9. Рябенко А. А., Ловцов В. Б., Данильчук В. Н., Клюха О. А. Особенности гидравлического режима шлюзов-регуляторов с клапанными затворами: Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Гидравлика гидротехнических сооружений. – СПб.: Изд-во ВНИИГ, 1993. – С. 67 - 71. (Автором застосована методика розрахунків критичної глибини в нижньому б’єф, розроблена для однопрогінних шлюзів-регуляторів).

10. Рекомендации по гидравлическому расчету шлюзов-регуляторов, оборудованных клапанными затворами, с учетом особенностей околокритических течений / Рябенко А.А. (общ. ред), Ловцов В.Б., Данильчук В.Н., Клюха О.А. / Госводхоз Украины, УИИВХ. - Киев - Ровно, 1993. - 77с. (Автором отримані залежності для визначення другої спряженої глибини білякритичних течій та максимальної глибини хвилеподібних таких течій з урахуванням просторового характеру роботи однопрогінних споруд).

11. Клюха О.О. Границі існування хвилеподібних білякритичних течій нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів Зб. статей за матеріалами ІІІ науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів УДАВГ. – Рівне, 1997. – Ч. 2. Гідротехнічне будівництво – С. 38  .

12. Патент України №21034 А. Шлюз – регулятор / Рябенко О.А., Ловцов В.Б., Данильчук В.М., Клюха О.О. Заявл. 7.10.1997; Опубл. 27.02.1998, Бюл. №1. – С. 3.1.207. (Автором проведені лабораторні дослідження однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами, на основі чого розроблена оригінальна конструкція гасителів енергії).

АНОТАЦІЇ

Клюха О. О. “Гідравліка потоку за однопрогінними шлюзами-регуляторами, обладнаними клапанними затворами, з урахуванням особливостей білякритичних течій”. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 – гідравліка та інженерна гідрологія. – Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне, 2006.

Дисертація присвячена актуальному питанню розробки рекомендацій для вибору раціональної конструкції облаштувань нижнього б’єфу однопрогінних шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами. Лабораторними дослідженнями показана можливість утворення білякритичних течій у процесі експлуатації таких споруд. Дана класифікація типів гідравлічних режимів у нижньому б’єфі досліджуваних регуляторів та визначені границі існування цих режимів. Прийнята методика експериментів з використанням великої кількості донних п’єзометрів дозволила оцінити ступінь викривлення елементарних струминок у вертикальній площині. Отримані значення критерію Кохрана показали досить високий рівень відтворюваності характеристик потоку на установці при формуванні білякритичних течій. Обґрунтована необхідність врахування просторового фактору, у відповідності з чим розроблена методика розрахунку другої спряженої глибини білякритичних течій та максимальної глибини таких течій з хвилястою поверхнею у просторових умовах. На основі лабораторних і натурних досліджень розроблені рекомендації для гідравлічного розрахунку та вибору раціональної конструкції гасителів енергії в нижньому б’єфі однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами.

Ключові слова: шлюз-регулятор, клапанний затвор, гасителі енергії, білякритичні течії, донні п’єзометри, рівень відтворюваності, гідравлічні режими, просторові умови, раціональна конструкція.

Клюха О. О. “Гидравлика потока за однопролетными шлюзами-регуляторами, оборудованными клапанными затворами, с учетом особенностей околокритических течений”. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 – гидравлика и инженерная гидрология. – Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Ровно, 2006.

Диссертация посвящена актуальному вопросу разработки рекомендаций по выбору рациональной конструкции устройств нижнего бьефа однопролетных шлюзов-регуляторов, оборудованных клапанными затворами. Проведенные лабораторные исследования указанных сооружений охватывают широкий диапазон изменения гидравлических условий их работы, связанных с изменениями расхода, глубин верхнего и нижнего бьефов, угла наклона клапанного затвора. В указанных опытах использованы 4 модели сооружения с разными значениями угла расширения потока в плане (центральный угол равнялся 60є, 40є, 20є, 0є), 6 типов гасителей энергии и 21 вариант их комбинаций.

Выполненные эксперименты показали возможность образования в нижнем бьефе рассматриваемых сооружений различных типов околокритических течений. На основании проведенных исследований предложена классификация типов гидравлических режимов, образующихся в нижнем бьефе указанных регуляторов, и определены границы существования этих режимов. Принятая методика проведения экспериментов с использованием большого количества донных пьезометров (82-х штук) позволила оценить степень искривления элементарных струек в вертикальной плоскости (т.е. отклонение от гидростатического закона распределения давления по глубине потока) в различных сечениях по длине изучавшихся явлений.

Полученные значения критерия Кохрана (Gр ,28 ,63Т ) показали довольно высокий уровень воспроизводимости характеристик потока на экспериментальной установке при формировании в нижнем бьефе околокритических течений.

Проведенными опытами обоснована необходимость учета пространственного фактора при работе однопролетных шлюзов-регуляторов с клапанными затворами для определения основных характеристик режимов сопряжения бьефов. В соответствии с этим разработана методика расчета второй сопряженной глубины околокритических течений и максимальной глубины таких течений с волнистой поверхностью в пространственных условиях.

Как показали экспериментальные исследования, кинематическая структура потока в нижнем бьефе шлюзов-регуляторов качественно отличается в случаях формирования совершенного гидравлического прыжка и околокритических течений с волнистой поверхностью. При образовании совершенного гидравлического прыжка гашение избыточной энергии потока происходит концентрированно на длине (9-10)Ннб, что объясняется наличием поверхностного вальца, в границах которого происходит интенсивное перемешивание водных масс. При формировании в нижнем бьефе околокритических течений с волнистой поверхностью избыточная энергия гасится рассредоточено на длине (25-30)Ннб, что вызвано колебательным характером изменения глубины, а соответственно максимальных мгновенных, осредненных и пульсационных придонных скоростей по длине отводящего русла. Волнообразные околокритические течения обусловливают возникновение медленнозатухающих повышенных скоростей по длине отводящего русла, появление нежелательных макропульсаций давления на дно и откосы, вследствие чего происходит разрушение крепления и размывы нижнего бьефа, что требует значительных материальных затрат на ремонты и реконструкции сооружений.

Натурные исследования шлюза-регулятора №2 системы “Стубелка” в Ровенской области показали, что полученные в лабораторных условиях данные о границах существования различных типов гидравлических режимов, а также рекомендованные зависимости можно использовать и в натурных условиях.

На основе лабораторных и натурных исследований характеристик потока для различных типов рассматриваемых гасителей и вариантов их местоположения разработаны рекомендации по гидравлическому расчету и выбору рациональной конструкции гасителей энергии в нижнем бьефе с учетом особенностей околокритических течений и пространственного характера работы однопролетных шлюзов-регуляторов с клапанными затворами.

Ключевые слова: шлюз-регулятор, клапанный затвор, гасители энергии, околокритические течения, донные пьезометры, уровень воспроизводимости, гидравлические режимы, пространственные условия, рациональная конструкция.

Кlyukha O. О. “Flow hydraulics by one-span sluices-regulators equipped with valve locks taking into account peculiarities of near-critical streams”. –Manuscript. Thesis for academic degree of candidate of technical sciences in speciality 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology. - National university of water management and nature resources use, Rivne, 2006.

The thesis is devoted to the actual issue of developing recommendations for selecting the rational construction of arranging the lower pool of one-span sluices-regulators equipped with valve locks. Laboratory researches have shown the possibility of forming near-critical streams in the process of maintaining such structures. The classification is given for types of hydraulic regimes in the lower pool of regulators studied and boundaries are determined of such regimes existence. Experimental methods are adopted using a great number of piezometers data which has allowed to evaluate the degree of the curvature of elementary streams in the vertical plane. Values obtained of Cochran criterion have shown a rather high level of reproducing streams characteristics at the