Разработка конструкций и экспериментальное исследование гидравлических параметров (гидравлический расчет) трубчатых водопропускных гидротехнических сооружений для автоматизации водоподачи на каналах гидромелиоративных систем.

Титульный лист и исполнители

РЕФЕРАТ

Отчет 74 с., 29 рис., 50 источн.

Гидротехнические сооружения, трубчатые водовыпуски, мелиоративные системы, средства автоматизации, гидравлические сопротивления.

Объектом исследования является течение жидкости в пределах проточной части новых водовыпусков-регуляторов инжекционного действия.

Цель работы: экспериментальное изучение гидравлических характеристик напорных водовыпусков-регуляторов расхода с усовершенствованной форой проточной части.

Методы исследований: положения механики сплошных сред, теории вероятностей и математической статистики, анализ и синтез.

В ходе выполнения НИР получены следующие новые научные результаты:

1. Создан новый метод теоретического определения гидравлических параметров регуляторов расхода с применением теории инжекции.
2. Разработана усовершенствованная форма исполнения проточной части водовыпуска-регулятора инжекционного действия.
3. Физическая модель регулятора испытана в гидравлическом лотке. Численная модель течения реализована в пакете STAR-CС M+. Выполнена успешная верификация теоретических зависимостей по данным физического и численного эксперимента.
4. Разработаны рекомендации по исполнению проточной части инжекционных регуляторов расхода.
5. Отправлена на Государственную регистрацию компьютерная программа «Гидравлический расчет инжекционного регулятора расхода».

Практическая значимость работы: результаты исследований и программное обеспечение могут применяться при гидравлическом расчете и проектировании новых водопропускных сооружений автоматического действия на каналах оросительных систем, а также при реконструкции существующих сооружений с целью их переоборудования в средства автоматизации водоподачи.

Результаты исследований прошли успешную апробацию:

• на международной научно-технической конференции «Инновационная техника и технологии для сельского и водного хозяйства», Бухарский филиал Ташкентского института инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства, г. Бухара, Узбекистан, 25-26 сентября 2020 г.
• на Всероссийском научно-практическом семинаре «Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства», г. Москва, Национальный исследовательский университет МГСУ 17 июня 2020 г,;
• на Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 155 — летию РГАУ — МСХА имени К.А. Тимирязева, 1-4 декабря 2020 г., г. Москва.

По результатам научных исследований опубликованы:

• 1 статья в журнале, индексируемом в базе Scopus (квартиль Q4)
• 3 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, включённых Высшей аттестационной комиссией (ВАК) РФ  в список изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание учёной степени кандидата и доктора наук.
• 1 статья в издании, индексируемом в Российском индексе научного цитирования
• 1 препринт размещен в международной исследовательской сети engXiv.org.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими определениями:

Термин	определение
Бьеф	часть водного объекта (реки, канала и др.), примыкающая к гидротехническому сооружению нижний бьеф, находящийся по другую сторону гидротехнического сооружения.
Верхний бьеф	часть водного объекта (реки, канала и др.), примыкающая к гидротехническому сооружению располагающийся выше по течению,
Водовыпуск	искусственно-системное удаление воды из коллекторов, камер, трубопроводов.
Водопропускные сооружения	это гидротехническое сооружение водопропускного типа представляющее собой искусственную структуру промышленного или гражданского назначения. Такие конструкции сооружаются на искусственном или естественном водном объекте или в непосредственной близости от него.
Гидравлический расчет	определение пропускной способности либо потерь напора перемещения жидкости
Гидравлический прыжок	явление резкого скачкообразного повышения уровня воды в открытом русле при переходе потока жидкости из так называемого бурного состояния в спокойное
Гидравлическое сопротивление	потери удельной энергии при переходе ее в теплоту на участках гидравлических систем, которые вызваны вязким трением.
Гидротехническое сооружение	объект для использования водных ресурсов, а также для борьбы с вредным воздействием вод
Дождевание	Орошение искусственным дождем
Земли орошаемые	Земли сельскохозяйственного назначения, на которых имеется временная или постоянная оросительная сеть, связанная с источником орошения, водные ресурсы которого обеспечивают полив этих земель
Инжектор	устройство для нагнетания (инжектор) или отсасывания жидких или газообразных веществ, действие которого основано на увлечении нагнетаемого (откачиваемого) вещества струёй жидкости
Кавитация	явление, которое заключается в образовании пузырьков, наполненных паром (или газом), который сжимается или расширяется внутри жидкости, на которую воздействует интенсивное ультразвуковое поле.
Канал	искусственный водоток, предназначенный для сокращения водных маршрутов или для перенаправления потока воды.
Машина дождевальная	Машина с рабочими органами для дождевания, оборудованная техническими средствами для перемещения
Мелиоративная система	Комплекс взаимосвязанных гидротехнических и других сооружений и устройств, включая земельные участки в границах полосы отвода мелиоративной системы или гидротехнического сооружения, обеспечивающих создание благоприятного водного, воздушного и теплового режимов почв и микроклимата на мелиорированных землях.
Нижний бьеф	нижний бьеф часть водного объекта (реки, канала и др.), примыкающая к гидротехническому сооружению и находящийся по другую сторону гидротехнического сооружения.
Орошение земель	Комплекс мелиоративных мероприятий по проведению поливов, направленных на создание благоприятного водного, воздушного и теплового режимов почв и микроклимата на мелиорированных землях
Перегораживающее сооружение	Гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток или водоем для подъема уровня воды
Проточная часть сооружения	Совокупность каналов, образованных всеми элементами, по которым проходит поток воды из верхнего бьефа в нижний
Регулятор расхода (воды)	Сооружение, предназначенное для поддержания заданного объёмного расхода (м³/ч).

Введение

По данным Федерального агентства водных ресурсов на нужды орошения и сельскохозяйственного водоснабжения в России используется порядка 7 млрд. м³ воды в год, или 13% от ежегодного объема водозабора свежей воды из источников. На протяжении последних пяти лет этот показатель остается практически неизменным. Экономия водных ресурсов возможна за счет повышения коэффициента полезного действия (КПД) мелиоративных систем. К одним из факторов, влияющих на КПД оросительной системы, относятся расходы воды в каналах и периодичность их действия. К примеру, для Самур-Апшеронского канала суммарные потери на непроизводительный сброс из магистральных, распределительных каналов и внутрихозяйственной сети могут составлять 15% от общего объема водопотерь [1]. По данным Российского научно-исследовательского института проблем мелиорации отношение объема сброса воды к объему водозабора на обследованных оросительных системах при неблагоприятных условиях может доходить до 20%, а отношение количества автоматизированных ГТС к общему их числу составлять не более 5% [2].

По данным Мелиоративного Кадастра Российской Федерации в состав мелиоративных систем входит более 1,6 млн. гидротехнических сооружений. Сетевые сооружения оросительных систем, в том числе низконапорные водопропускные гидротехнические сооружения, являются наиболее массовыми. Их неудовлетворительное состояние приводит к тому, что до 50% забираемой в источниках орошения воды теряется в оросительных каналах. Повышение технического уровня оросительных систем требуется более чем на 2 млн. га земель. При этом необходимо предусмотреть возможность для внедрения автоматизации водопропускных сооружений при их возможной реконструкции.

На магистральных каналах с расходами, превышающими 30 м³/с, как правило, применяются сложные средства автоматизации электрического действия. На малых каналах с расходами от 1 до 10 м³/с, где использование электроэнергии экономически неэффективно, устанавливаются средства гидравлической автоматизации водоподачи. Трубчатые водовыпуски, как правило, оборудуются затворами автоматического действия: кольцевыми, щитовыми, шторными, конусными, ступенчатыми коробчатыми щитами различных модификаций. Подвижные механические части затворов снижают средний срок службы этих сооружений, который составляет не более 8-10 лет. Разработка надежных в эксплуатации регуляторов расхода, совмещенных с водопропускными гидротехническими сооружениями на оросительных каналах, является одной из актуальных задач технического перевооружения мелиоративных систем.

Средства гидроавтоматики повышают эффективность функционирования оросительной системы. Внедрение прогрессивных технологий, обеспечивающих экономное использование оросительной воды, является обязательным требованием к эксплуатации оросительных систем [3]. Это требование распространяется как на гидротехнические сооружения, входящие в состав систем, так и на отдельно стоящие гидротехнические сооружения. В Институте мелиорации, водного хозяйства и строительства имени А.Н. Костякова (РГАУ–МСХА имени К.А. Тимирязева) действует научная школа, выполняющая разработку новых автоматических водопропускных гидротехнических сооружений – гидродинамических водовыпусков. Автоматизация водоподачи этих сооружений, реализующих принцип регулирования расхода «по-требованию потребителя», была основана на законах гидродинамики. Без участия механических элементов и датчиков гидравлические характеристики потоков формировались по заданному закону, связанному с уровнями воды в створе перегораживающего сооружения. Водовыпуски-регуляторы не требовали энергозатрат и присутствия эксплуатационного персонала для осуществления процесса управления водоподачей. Первые из автоматических регуляторов расхода, не содержащие датчиков и подвижных элементов, были внедрены на каналах Алеппской оросительной системы в Сирийской Арабской республике. Тем не менее, гидродинамическая картина течения в пределах проточного тракта регуляторов (в силу своей сложности и чувствительности к изменениям начальных и граничных условий) требовала дальнейшего изучения, а существующие теоретические методы расчета и исполнение отдельных элементов проточной части значительной доработки с учетом эксплуатации сооружений в условиях оросительных систем.

Объектом исследований является течение жидкости в пределах проточной части новых водовыпусков-регуляторов инжекционного действия.

Цель исследований: экспериментальное изучение гидравлических характеристик напорных водовыпусков-регуляторов расхода с усовершенствованной форой проточной части.

Задачи исследований:

1. Разработать новые методы теоретического расчета водовыпусков-регуляторов инжекционного действия.
2. Разработать усовершенствованную форму исполнения проточной части водовыпуска-регулятора с учетом недостатков, выявленных в работе предыдущих конструкций.
3. Верифицировать полученные теоретические зависимости на основании гидравлических испытаний физической модели регулятора и численного моделирования течения в сооружении и прилегающих бьефах в пакете гидродинамического моделирования STAR-CС M+.
4. Разработать рекомендации по исполнению проточной части инжекционных регуляторов расхода
5. Реализовать разработанную методику гидравлического расчета в компьютерной программе «Гидравлический расчет инжекционного регулятора расхода», простой в использовании и не требующей значительных системных ресурсов. Программу для ЭВМ отдать на Государственную регистрацию.

Методы исследований: положения механики сплошных сред, теории вероятностей и математической статистики, анализ и синтез.

Выполненные исследования относятся к поисковым исследованиям (ориентированным фундаментальным) и связаны с разработкой новых программ, устройств, методов, рекомендаций.

Научная тема соответствует приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (далее — СНТР)^[1] в части приоритета а) переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта;

Практическая значимость исследований: результаты исследований могут применяться при гидравлическом расчете и проектировании новых водопропускных сооружений автоматического действия на каналах оросительных систем, а также при реконструкции существующих сооружений с целью их переоборудования в средства автоматизации водоподачи.

Уровень значимости полученных результатов: Региональный. Результаты исследований могут применяться проектными организациями мелиоративного и водохозяйственного профиля при гидравлическом расчете и проектировании новых водопропускных сооружений автоматического действия на каналах оросительных систем, а также службами эксплуатации оросительных систем при реконструкции существующих сооружений с целью их переоборудования в средства автоматизации водоподачи.

1. РЕГУЛЯТОРЫ РАСХОДА ДЛЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ КАНАЛОВ

1.1 Напорные водопропускные сооружения на каналах и средства их гидравлической автоматизации

Одной из задач Федеральной целевой программы развития мелиорации земель сельскохозяйственного назначения, направленной на повышение продукционного потенциала мелиорируемых земель и эффективное использование природных ресурсов, является экономия водных ресурсов в процессе сельскохозяйственного производства [4]. На орошаемых землях это может быть достигнуто за счет повышения коэффициента полезного действия мелиоративных систем, внедрения микроорошения и водосберегающих технологий, предотвращения процессов подтопления, затопления и опустынивания территорий.

Водопропускные сооружения относятся к сетевым гидротехническим сооружениям и являются наиболее массовыми. Они устанавливаются в створе перегораживающего сооружения (плотины, перемычки, дорожного переезда). Напорное движение воды в пределах проточного тракта сооружений обеспечивается необходимым перепадом глубин между уровнями воды в верхнем и нижем бьефах. Примеры компоновки водовыпусков с малыми и большими перепадами глубин бьефах приведены на рисунке 1.

а)
б)

Рисунок 1 – Перепады глубин на водовыпусках напорного действия: а) водовыпуск на перепаде канала; б) водовыпуск на канале с малым продольным уклоном дна трассы канала.

Напорные трубчатые водовыпуски мелиоративного назначения, как правило, создавались по типовым проектам, разрабатываемым проектными водохозяйственными организациями. Пример трубчатого водовыпуск из канала (конструкции ОАО «Полесьегипроводхоз») приведен на рисунке 2. Значения перепада уровней находятся в пределах 0,3-0,5 м при расположении сооружения по трассе канала с постоянным уклоном и доходить до нескольких метров при совмещении водовыпусков с сопрягающими сооружениями (перепады).

Рисунок 2 – Типовой трубчатый водовыпуск на перепаде канала

Автоматизация водопропускных сооружений способствует экономии воды за счет снижения непроизводительных потерь в оросительной системе (холостых сбросов), а также высвобождению трудовых ресурсов. В случае использования гидравлической энергии потока в процессе регулирования водоподачи энергозатраты системы снижаются.

Одни из первых классификаций средств автоматизации водораспределения приведены в работах В.Я. Поповой и П.И. Коваленко [5, 6]. Разработка стабилизаторов и регуляторов расхода для гидротехнических водопропускных сооружений, действие которых основано на гидродинамических свойствах водного потока, получило свое развитие в конце прошлого века. На рисунке 3 приведена упрощенная классификация автоматических водовыпусков, использующих гидравлические свойства потока [7].

Автоматические водовыпуски, использующие гидравлические свойства струй потока

Устройства, использующие гидравлические свойства струй истечения потока

Устройства, использующие гидравлические сопротивления с помощью подвижных элементов

Неподвижные устройства, использующие гидравлические сопротивления

Рисунок 3 Классификация автоматических водовыпусков

По принципу работы регуляторы расхода подразделялись на устройства, использующие гидравлические сопротивления самих потоков, устройства, использующие гидравлические сопротивления, создаваемые механическими подвижными элементами, и устройства, функционирование которых основано на взаимодействии водных струй.

Автоматизация водоподачи гидротехнических сооружений на оросительной системе может реализовывать один из принципов регулирования: по верхнему бьефу либо по нижнему бьефу. В сооружениях, использующих принцип регулирования по верхнему бьефу, осуществляется плановое или нормированное водораспределение. Применение таких сооружений оправдано при недостаточной водообеспеченности, когда потребителю поступает заданный расход независимо от уровня воды в верхнем бьефе. Водовыпуски указанного действия либо поддерживают заданный уровень воды выше створа перегораживающего сооружения, либо подают постоянный расход. В настоящее время широкое применение на оросительных системах нашли именно стабилизаторы расхода.

Другой способ управления водоподачей – управление по-требованию. Для сооружений этого типа характерно наличие обратной гидравлической связи между уровнем нижнего бьефа и подаваемым расходом. В этом случае расход, поступающий ниже створа перегораживающего сооружения, равен водопотреблению в нижнем бьефе. Автоматические водовыпуски, реализующие этот принцип, называются регуляторами расхода.

Наиболее полная классификация стабилизаторов расхода дана в работах О.В. Атамановой [8, 9]. Классификация основана на группировках принципов, способов и средств стабилизации водоподачи (рисунок 4). Способы регулирования были связаны с различным использованием напора на сооружение или регулирующий элемент, использованием динамических свойств водных струй и комбинацией указанных способов.

Под сигналом управления понимается уровень бьефа, изменение которого приводит к началу процесса стабилизации или регулирования. Впервые в классификацию регуляторов расхода это понятие было внесено в работе [10]. На рисунке 5 приведена классификация, включающая компоновочную, конструктивную и гидравлическую схемы сооружений, а также подачу сигнала управления. Недостатком указанной классификации является отсутствие детализации способов подачи управляющего сигнала в автоматических водовыпусках.

Наиболее детальное изучение регуляторов расхода, управляющим сигналом для которых служил уровень воды в нижнем бьефе, приведено в работах [11, 12]. На основании анализа работы водовыпусков оросительных систем, осуществляющих регулирование пропорционально корню квадратному из напора на сооружение , классификация сооружений была уточнена (рисунок 6). В основу этой классификации легли сооружения, работающие по принципу изменения коэффициента расхода в функции пропускной способности.

Рисунок 4 Классификация водовыпусков-стабилизаторов по Атамановой О.В.

Рисунок 5 Классификация регуляторов расхода Д.М. Бенина

Рисунок 6 Классификация автоматических водовыпусков А.А. Гайсина

1.2 РЕГУЛЯТОРЫ РАСХОДА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Большинство водопропускных сооружений оросительных систем были построены в период так называемой «широкой мелиорации земель» 1965-1985 гг. Эксплуатационный срок службы большинства сооружений давно превышен, они требуют капитального ремонта, модернизации и реконструкции [13]. При реконструкции оросительных систем актуальным направлением исследований является дальнейшая разработка автоматических водовыпусков гидравлического действия, процесс управления водоподачей которых увязан не только с параметрами действующих каналов (в т.ч. фактическими и планируемыми уровнями воды), но и с возможностью частичного или полного использования существующих трубчатых водопропускных сооружений.

Использование дополнительных гидравлических потерь при слиянии транзитного и управляющего потоков является достаточно перспективным направлением гидравлической автоматизации сооружений. Гидродинамические регуляторы расхода одни из немногих сооружений, которые могут осуществлять как нормированный процесс управления водоподачей, так и управление водоподачей «по-требованию», что является их бесспорным преимуществом. Гидроавтоматы этого типа не содержат механических подвижных частей, подверженных водной коррозии, и датчиков, подающих сигнал для начала процесса регулирования.

Необходимым условием подвода потока управления со стороны нижнего бьефа в регуляторах расхода гидродинамического действия является снижение пьезометрической линии по трассе напорного водовыпуска. Эта возможность реализуется путем устройства расширяющегося выходного участка, исполняемого, как правило, в форме диффузора с безотрывным течением. Примеры исполнения проточной части диффузоров, имеющих высокую степень расширения и противосбойные устройства приведены на рисунке 7.

Рисунок 7 Исследуемые виды диффузоров: а) с плавным углом расширения; б) диффузор с высоким углом расширения и укороченными разделительными стенками.

В настоящее время разработан ряд конструкций, которые могут быть получены в результате реконструкции существующих трубчатых сооружений на оросительных каналах [14, 15]. При необходимости регуляторы расхода могут иметь изначально более высокую пропускную способность, чем реконструируемые водовыпуски. Это целесообразно в том случае, когда планируется увеличение пропускной способности оросительных каналов, на которых они установлены. Общий вид водовыпусков гидродинамического действия, установленных в оросительных каналах и осуществляющих процесс управления водораспределением «по-требованию» представлен на рисунке 8 и рисунке 9.

Конструкции отличаются видом противосбойных устройств, устанавливаемых в пределах диффузорного выходного участка. В первом случае это две разделительные стенки, во втором случае три ряда дефлекторов (лопаток), каждый из которых устанавливается под различным углом к направлению течения потока. Работа автоматических гидрорегуляторов расхода воды основана на правильном распределении потоков воды внутри сооружения, создании его оптимальной конструкции, при которой работа этих сооружений будет возможна на больших диапазонах уровней бьефов – от 0,2 до 5,0 м.

Рисунок 8 Пример трубчатого водовыпуска после модернизации диффузором-регулятором: 1 – затвор (для полного перекрытия); 2 – водопроводящая труба; 3 – камера слияния; 4 – крышка плоского диффузора с разделительными стенками; 5 – водосливная кромка подачи управляющего расхода; 6 – разделительные стенки; 7 – наддиффузорное пространство.

Рисунок 9 Пример трубчатого водовыпуска после модернизации диффузором-регулятором: 1 – затвор (для полного перекрытия): 2 – водопроводящая труба; 3 – камера слияния; 4 – крышка прямоугольного диффузора с направляющими лопатками; 5 – водосливная кромка подачи управляющего расхода; 6 – направляющие лопатки; 7 – диафрагма.

1.3 НЕДОСТАТКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ ИХ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Внесение конструктивных элементов в проточный тракт регуляторов, особенно в зону с повышенными скоростями течения (начальное сечение камеры слияния и входного участки диффузора), неизбежно приводит к быстрому износу бетонных поверхностей, в некоторых случаях возможно возникновение кавитационных явлений. Имелся ряд замечаний по эксплуатации сооружений, в частности, быстрому износу бетона в зоне камеры слияния. С этим связана необходимость дополнительной проверки скоростей течения в регуляторах на возможность возникновения кавитации.

Транспортирующая способность потока в местах сужений также неоднозначна. Высокие скорости течения не позволяют снизить скорости ниже заиляющих, то есть таких, при которых поток способен транспортировать мелкие частицы грунта. Но сужение поперечного сечения конструктивными элементами препятствуют транспортировке крупных включений, например элементов плавника, крупного сора. Поперечное сечение регулятора может забиться сором, что требует регулярной очистки сороудерживающих решеток и промывки проточного тракта сооружений. В регуляторах с разделительными стенками засорение проточной части более опасно, чем в регуляторах с дефлекторами.

Регуляторы с дефлекторами имеют более низкую материалоемкость, чем регуляторы с разделительными стенками, но их конструктивная прочность ниже в силу следующих причин. Верхняя крышка диффузора при поступлении потока со стороны нижнего бьефа (в процессе регулирования расхода сооружения) работает в достаточно сложных условиях. Нагрузки, вызванные падением потока и вызываемые ими колебания крышки, передаются на боковые стенки диффузора и противосбойные устройства. Коэффициент надежности по нагрузкам в прочностных расчетах таких сооружений должен быть увеличен [17]. При наличии разделительных стенок сооружение больше устойчиво к этим нагрузкам, при наличии дефлекторов – меньше. В регуляторах с дефлекторами 70% бетонной поверхности крышки диффузора имеют упор только на боковые стенки. С этим связана необходимость оптимизации конструкции противосбойных устройств.

В регуляторах, имеющих нулевой уклон крышки диффузора (плоские диффузоры, расширяющиеся только в горизонтальной плоскости), гидравлическая схема течения потока, поступающего со стороны нижнего бьефа, представляет собой истечение через водослив, причем дно сооружения за водосливом имеет нулевой уклон. При определенных значениях поступающего расхода на верхней крышке диффузора может образовываться гидравлический прыжок, что не только приводит к возрастанию динамических нагрузок на выходную часть водовыпуска, но и негативно отражается на его регулирующей способности. пример гидравлического прыжка во время испытаний модели регулятора с плоской крышкой приведен на рисунке 10.

Возможность возникновения гидравлического прыжка ограничивает использование плоских диффузоров в качестве выходных участков регуляторов расхода. Возможная оптимизация проточной части регуляторов должна использовать диффузоры с углами расширения потока в трех плоскостях: большими углами в горизонтальной плоскости и небольшим углом в вертикальной плоскости. Это сделает возможность потенциального отгона гидравлического прыжка и более надежной работы сооружения как с точки зрения динамических нагрузок, так и из условий регулирования.

Исследование работы регуляторов расхода по нижнему бьефу приведено в ряде работ [12, 16, 18]. Существенного пересмотра требовала и сама картина течения в пределах регуляторов расхода. Расчетная гидравлическая схема регуляторов по нижнему бьефу приведена на рисунке 11.

а)
б)

Рисунок 10 Пример гидравлического прыжка в регуляторе с плоским диффузором: а) несовершенный гидравлический прыжок или прыжок-волна; б) совершенный гидравлический прыжок с вальцом

Рисунок 11 Схема для гидравлического расчета регулятора расхода: 1 – входное сечение водовыпуска; 2 – затвор для полного отключения сооружения; 3 – водопропускная труба постоянного сечения; 4 – отверстие в верхней крышке диффузора; 5 – диффузор; 6 – водосливной порог; 7 – наддифузорное пространство.

Сооружение можно получить дооборудованием выходной части трубчатого водовыпуска 3 диффузором 5 и обеспечением подачи воды из нижнего бьефа в выходное сечение трубопровода через отверстие 4 в крышке диффузора. Кромка водослива 6 расположена на минимальной отметке воды в отводящем канале, соответствующей максимальному водопотреблению в нижнем бьефе. Снижение водопотребления приводит к росту уровня воды в отводящем канале, подаче потока в пространство над диффузором, формированию промежуточного бьефа 7 и началу процесса регулирования. Расход Q₀ поступает из промежуточного бьефа и соединяется с расходом Q₁, поступающим из верхнего бьефа Суммарный расход сооружения Q₂ является суммой расходов Q₁ и Q₀, но фактически в нижний бьеф поступает только расход Q₁, величина которого меньше, чем пропускная способность нерегулируемого водовыпуска при равном напоре.

Узел слияния потоков Q₁ и Q₀ рассматривался как вытяжной тройник и в расчеты входили коэффициенты его сопротивления на прямой проход _с.п. для расхода Q₁ и на боковой поворот _с.б. для расхода Q₀ с соответствующими площадями поперечного сечения трубопроводов. Из-за гидравлической расчетной схемы слияния потоков в регуляторе формулы расчета, полученные теоретическими методами, требовали корректировки по экспериментальным данным, которая производилась по формулам вида:

, (1)

где – экспериментальное значение коэффициента сопротивления камеры.

В итоге в основные расчетные зависимости вводились поправочные коэффициенты, значения которых могли быть определены только экспериментальным путем, что затрудняло модификацию сооружений и и использование регуляторов с некоторыми отклонениями от проектных параметров.

В стартовой зоне, в начале процесса регулирования, существующие теоретические зависимости для определения пропускной способности водовыпусков завышали результаты экспериментальных исследований.

Для привязки регуляторов к уровням воды в створе перегораживающего сооружения не существовало прямых методов, приходилось использовать методы итераций. Существующие расчетные зависимости не позволяли напрямую определять величину расходов, сливающихся в гидродинамическом регуляторе. Все это крайне затрудняло работу инженеров-проектировщиков.

В целом выявленные недостатки исполнения проточной части регуляторов расхода могут быть классифицированы по следующим признакам:

• Недостатки, увеличивающие динамические и кавитационные нагрузки на водовыпуск;
• Недостатки, отражающиеся на транспортирующей способности потока в пределах напорного тракта;
• Недостатки, осложняющие гидравлический расчет и сказывающиеся на точности определения гидравлических параметров сооружения.

Для оптимизации исполнения проточной части водовыпусков-регуляторов расхода и устранения указанных недостатков были выполнены теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых изложены ниже. При выборе конструкции водовыпуска следует руководствоваться основным правилом — это максимальная простота исполнения сооружения с привязкой к реальной местности и реальным условиям, минимальные сопротивления сооружения при максимально возможной его пропускной способности

2. НОВЫЙ МЕТОД ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ВОДОВЫПУСКОВ-РЕГУЛЯТОРОВ ИНЖЕКЦИОННОГО ДЕЙСТВИЯ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ИНЖЕКЦИИ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА РЕГУЛЯТОРОВ

Основным недостатком теоретических предпосылок, заложенных в основу существующих методов гидравлического расчета регуляторов расхода по нижнему бьефу , являлось рассмотрение камеры смешения как вытяжного тройника. Это приводило к расхождениям экспериментальных и расчетных зависимостей, которые исправлялись с помощью эмпирических коэффициентов. Непосредственное определение величин сливающихся в регуляторе расходов было невозможно. Это затрудняло определение точности регулирования, как функции от уровня воды в верхнем и нижнем бьефах. В предыдущих работах было выяснено, что основным фактором, с помощью которого снижалась пропускная способность регуляторов, являлся угол подвода потока управления, а его влияние по сравнению с формой исполнения диффузора, крайне незначительно. Для классических тройников угол подвода оказывает достаточно сильное влияние на коэффициент гидравлического сопротивления, что еще раз подтверждает необходимость пересмотра гидравлической схемы расчета сооружений.

Для решения этих проблем авторами впервые было предложено рассматривать гидравлическую картину течения потоков в регуляторе как процесс инжекции [19]. При этом транзитный поток Q₁ является инжектирующим потоком, а поток Q₀, поступающий из промежуточного бьефа – инжектируемым, то есть поднимаемым до уровня нижнего бьефа энергией транзитного потока. Регулятор представляет собой подобие асимметричных струйных насосов, конструкции которых достаточно разнообразны и совершенствуются [20, 21]. Применительно к рассматриваемому сооружению сопло формируется не твердотельными границами, а границей раздела потоков в камере смешения.

Схема для гидравлического расчета сооружения приведена на рисунке 12.

Рисунок 11 Трубчатый водовыпуск-регулятор: 1 – напорный водовыпуск; 2 – кромка водослива; 3 – отверстие в крышке диффузора; 4 – выходное сечение трубы; 5 – отверстие; 6 – промежуточный бьеф; 7 – камера смешения

Транзитный поток, подаваемый из верхнего бьефа в нижний, является активным потоком (инжектирующим). Скорости течения транзитного потока перед диффузором достаточно высоки, что позволяет ему инжектировать воду из промежуточного бьефа, расположенного над крышкой диффузора. В свою очередь в промежуточный бьеф поступает расход, который сформирован излишками водоподачи, которые вызывают рост уровня воды в нижнем бьефе и перелив через водосливную кромку, расположенную на верхней стенке диффузора в его выходном сечении. Уровень промежуточного бьефа формируется за счет разницы двух величин: поступления расхода через водосливную кромку и расхода, который может быть инжектирован транзитным потоком водовыпуска.

Теоретической базой для выполнения расчетов стали основные законы гидродинамики и классические принципы определения гидравлических характеристик инжекционных устройств

Расчеты струйных устройств в своем большинстве основаны на квазиодномерных теориях Лямаева [22], Соколова и Зингера [23], Сазонова [24, 25], Подвидза и Кирилловского [26], Темнова и Спиридонова [27], Фридмана [28], Боровых [29], Sanger [30], Cunningham [31], Grupping [32], Reddy и Kar [33], Hatziavramidis [34]. Вывод теоретических зависимостей базируется на основных уравнениях гидромеханики: балансов расхода и энергии, количества движения. Неравномерность распределения давления и скорости в контрольных живых сечениях не учитывается, при расположении среза сопла в приемной камере давление в струе вплоть до входного раструба смесительной камеры принимается равным давлению пассивного потока на входе в инжектор. Отличие теорий состоит в разном написании уравнений баланса энергии и потерь удельной энергии потоков [35].

2.2 ВЫВОД ОСНОВНЫХ РАСЧЕТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

Все дальнейшие выкладки использовали расчетную схему, приведенную на рисунке 12. По трубе 1 водовыпуска расход Q₁ поступает из верхнего бьефа с отметкой УВБ в нижний бьеф с отметкой УНБ_min. При снижении водопотребления в нижнем бьефе отметка его поднимается до УНБ_max.

Через водослив 2 в регулирующую ёмкость 3 поступает поток, который формирует в ёмкости некоторый горизонт воды УВ.

В конце трубы сделано сужение в виде сопла 4 площадью F₁. Через отверстие 5 вода из промежуточного бьефа 6 подсасывается транзитным потоком и в отводящую часть 7 площадью F₂ поступает расход Q₂, равный транзитному расходу Q₁ и расходу из промежуточного бьефа Q₀.

Q₂=Q₁+Q₀

Будем считать, что струя из сопла 4 взаимодействует с окружающим потоком по всему периметру и захватывает его.

Это равносильно выражению площади, занимаемой расходом Q₀.

F₀=F₂-F₁

Обозначим через Н₂ разность горизонтов воды в нижнем бьефе и регулирующей емкости

Н₂=УНБ-УВ

Расстояние от оси трубы (или сопла) до уровня воды в регулирующей емкости обозначим через Z.

Рассмотрим действие регулятора как водоструйного насоса, который поднимает воду из промежуточного бьефа в нижний, обеспечивая тем самым «циркуляцию» лишнего расхода между нижним бьефом и регулирующим сечением и снижая пропускную способность водовыпуска.

Будем учитывать только потери энергии при смешении потоков. Потерями на удар пренебрегаем, считая потоки Q₁ и Q₂ близкими к параллельным.

Рассмотрим течение воды между соплом и выходом в нижний бьеф на участке постоянного сечения площадью F₂ (рисунок 13).

Рисунок 13 Схема камеры смешения

Давление в сечении 1-1, совпадающим с выходным сечением сопла , давление в сечении 2-2, совпадающем с выходным сечением водовыпуска .

Секундный импульс силы давления, действующий вдоль оси потока на воду в камере между сечениями 1-1 и 2-2 равен:

где F₂ – площадь камеры, или ; здесь Q₂ – суммарный расход, 2 – скорость потока в конце камеры.

Секундное приращение количества движения равно:

где — плотность воды.

Секундный импульс сил давления равен секундному приращению количества движения воды в камере смешения:

С учетом того, что Q₂=Q₁+Q₀

С учетом и получим

Предположим, что давление Р₁ на входе в камеру одинаково для обоих сливающихся потоков Q₁ и Q₂ (они практически параллельны и имеют малую кривизну). Потерями на входе в камеру пренебрегаем.

Составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (рис.13).

Выразим расходы через площади скорости и

Уравнение Бернулли будет иметь вид

(2)

(3)

или

Диффузор размещается за камерой смешения и имеет угол расширения в 3-х плоскостях и коэффициент сопротивления _диф. В общем случае это может быть коэффициент сопротивления диффузора с учетом выхода части энергии в нижний бьеф. Давление в выходном участке диффузора по уравнению Бернулли будет равно:

(4)

В уравнениях (2) и (3) приравняем части, содержащие Z

Умножим левую и правую часть уравнения на 2g и получим

Выразим через

Выразим Z в уравнениях (3) и (4)

приравняем левые части полученных уравнений и приведем подобные члены

Умножим левую и правую часть уравнения на g

(6)

Приравняем правые части уравнений (1) и (6)

Выразим и через . Согласно (5) откуда

Для выражения воспользуемся уравнением неразрывности.

С учетом полученных выражений выполним приведение подобных членов

Подставим полученные ранее зависимости или

Выполним последовательные преобразования:

Приравняем правые части полученных уравнений

слева, константы переносим вправо

После приведения подобных членов и математических преобразований получаем выражение для скорости инжектирующего потока в сопле:

В полученном выражении выделим три константы, не зависящие от скоростей течения в инжекторе:

или

или

С учетом введенных констант получаем расчетное уравнение

Это иррациональное уравнение относительно и включает константы А, В и С зависящие от формы исполнения проточной части регулятора и заглубления промежуточного бьефа под уровни воды выше и ниже створа перегораживающего сооружения. Значения этих констант известны до начала гидравлического расчета. Перенесем слагаемое, содержащее иррациональную часть, вправо.

Для получения биквадратного уравнения возведем обе части в квадрат и приведем подобные члены:

Введем новые константы а, b, с:

Получаем квадратное уравнение:

Поиск корней которого выполняем известным способом:

Получим скорость инжектирующего потока

Скорость инжектируемого потока определится по выражению

2.3 СВЯЗЬ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕГУЛЯТОРОВ ИНЖЕКЦИОННОГО ТИПА С ФОРМОЙ ИСПОЛНЕНИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ

Полученные теоретические зависимости позволили определять значения каждого из расходов, проходящих через инжекционный водовыпуск-регулятор расхода и скоростей течения потока в характерных сечениях сооружения, то есть выполнять его гидравлический расчет. Теоретической базой для выполнения расчетов стали основные законы гидродинамики и классические принципы определения гидравлических характеристик инжекционных устройств. Результаты исследований изложены авторами в статье [36]

Рассмотрение регулятора расхода как водоструйного насоса позволило составить и решить систему уравнений, согласно которой скорость инжектирующего потока ₁ и скорость инжектируемого потока ₂ определяются по зависимостям:

(8)

(9)

где Н₁ и Н₂ напор, отсчитываемый между уровнем воды в промежуточном бьефе и верхнем или нижнем бьефе соответственно; А, В, С константы, известные до начала расчета и равные:

здесь F₁ и F₀ – площади, занимаемые инжектирующим и инжектируемым потоком в камере смешения; F₂ – площадь камеры смешения; коэффициент сопротивления диффузора с учетом выхода части энергии в нижний бьеф.

Выражения для определения расходов регулятора:

где Q₀ расход, равный снижению водопотребления в нижнем бьефе и забираемый из регулирующей емкости над диффузором (инжектируемый); Q₁ расход, подаваемый водовыпуском из верхнего бьефа в канал (инжектирующий); H₁ напор между верхним бьефом и уровнем воды в регулирующей емкости; ; A, B и C константы, зависящие от исполнения проточной части регулятора.

Динамику гидравлических характеристик регулятора в зависимости от формы исполнения его проточной части и уровней воды в створе перегораживающего сооружения удобно анализировать по совмещенным графикам, построенным в относительных величинах. На рисунке 14 показано влияние площади сопла на пропускную способность инжекционного устройства.

Рисунок 14 – Связь площади сопла и расходов, сливающихся в регуляторе

Под площадью сопла в данном случае понимают площадь, занимаемую инжектирующим потоком в начале камеры смешения. Для водовыпусков-регуляторов эта величина может быть найдена только экспериментально с учетом границы раздела инжектирующего и инжектируемого потоков.

При больших отношениях напоров (рисунок 14), отсчитываемых от уровня воды в промежуточном бьефе, кривые имеют достаточно резкий рост и достигают экстремальных значений при относительных площадях доходящих до значения 0,3. При этом отношение сливающихся расходов незначительно отличается по максимуму и равно 0,82..0,92. При малых отношениях напоров порядка 1,2..1,5 экстремальные значения сливающихся расходов наблюдаются при относительных площадях больше, чем 0,5.

На рисунке 15 приведены кривые связи напоров и расходов инжекционного устройства для различных относительных площадей сопла.

Рисунок 15 – Кривые связи или расходные кривые регулятора

При малых площадях сопла кривые резко растут вверх и достаточно быстро достигаю экстремума, затем постепенно убывают. При больших площадях сопла экстремумы имеют приблизительно одинаковые значения, но возникают при относительном напоре 2 и более.

Для удобства анализа на рисунке 16 приведены возможные граничные положения кривых связи Напор-Расход или расходных кривых регулятора.

Рисунок 16 – Граничные положения функций

Как видим из графика в случаях, когда инжектирующий расход занимает большую часть поперечного сечения камеры смешения кривая связи практически не имеет участка роста. Если инжектирующий расход занимает малую часть поперечного сечения камеры смешения кривая связи имеет ярко выраженный участок роста и участок падения после достижения экстремального значения. Причем экстремум в этом случае достигается при большем соотношении сливающихся в инжекторе расходов.

Работа регулятора расхода связана с характеристиками канала, в котором он установлен. Не все положения бьефов могут быть реализованы в гидротехническом сооружении. Уровень промежуточного бьефа связан с пропускной способностью водослива, подающего инжектируемый поток, не прямой зависимостью, а разницей между расходом водослива и инжектирующей способностью потока, проходящего через водовыпуск и подаваемого со стороны верхнего бьефа.

Все это вызвало необходимость в верификации полученных теоретических зависимостей (ф. 13 и ф.14) и вычленении из семейства кривых (рисунки 14 и 15) тех ветвей, которые будут соответствовать не идеальному инжекционному устройству, а водовыпуску-регулятору как гидротехническому сооружению, установленному на оросительном канале с определенным интервалом колебаний глубин. Верификация была выполнена путем совместного проведения физического и численного экспериментов, результаты которых изложены далее.

3. ГИБРИДНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ИНЖЕКЦИОННОГО РЕГУЛЯТОРА РАСХОДА

3.1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ТОЧНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

С целью верификации полученных авторами новых теоретических зависимостей было запланировано совмещение двух видов эксперимента физический эксперимент, включающий изучение работы модели регулятора в зеркальном гидравлическом лотке, и численный эксперимент, моделирующий всю область течения (бьефы канала и проточная часть регулятора) в пакете STAR-CCM+, причем задание граничных условий для численного решения уравнений гидродинамики задавалось значениями, полученными при физическом моделировании. Авторы уже успешно апробировали этот метод ранее при изучении стабилизаторов расхода [37, 38].

Физический эксперимент проводился в зеркальном гидравлическом лотке (рисунок 17) в лаборатории Гидравлики института мелиорации, водного хозяйства и строительства имени А.Н. Костякова РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Общая длина лотка 20855 мм, из них 2220 мм приходится на напорный бак, 2675 мм на успокоительный бак, 14915 мм непосредственно на лоток – шириной 600 мм. Напорный бак имеет размеры 3810 на 2220 мм, подача воды в бак производилась трубопроводом диаметром 300 мм через основание бака. Основное регулирование подвода воды происходило ручной задвижкой, находящейся под баком, у отвода нагнетательного трубопровода.. Для визуального наблюдения напорный бак снабжен мерным стеклом. На передней стенке напорного бака установлен первый щит с пьезометрами высотой 2755 мм. Пьезометры выведены на щит со шкалой, имеющей наименьшее деление 1 мм. Предварительно определены нулевые отметки щитов с пьезометрами.

Лоток представлял собой прямоугольную конструкцию из силикатного стекла толщиной 14 мм, высотой 970 и 560 мм и шириной по дну 1800 и 1465 мм, установленный на металлических опорах, жестко заделанных к фундаменту лаборатории. Конечный оголовок лотка оборудован плоским жалюзным затвором и успокоительными сетками , имеющими квадратные ячейки размером 50 на 50 мм. Также на выходном сечении лотка установлен стакан со шпитценмасштабом для измерения уровня воды мерного треугольного водослива с острой кромкой, изготовленного из оргстекла толщиной 10 мм, размерами 935 на 480 мм в успокоительном баке. Расход установки снимался в конце лотка снимался на мерном треугольном водосливе Томсона.

Рисунок 17 Зеркальный гидравлический лоток: 1 водонапорный бак; 2 перегородка между бьефами; 3 отводящая часть лотка; 4 плоский жалюзный затвор; 5 мерный водослив.

Лоток был разделен на бьефы напорными щитами, между которыми устанавливалась и жестко закреплялась модель водовыпуска-регулятора (рисунок 18).

Модель водовыпуска была выполнена из органического стекла с эквивалентной гидравлической шероховатостью _э=0,03 мм. Масштаб моделирования 1:10. Вид модели приведен на рисунке 19.

Рисунок 19 Конструкция модели инжекционного регулятора: 1 транзитная часть водовыпуска; 2 диффузор-регулятор; 3 укороченные разделительные стенки; 4 фланец крепления к перегородке между бьефами; 5 боковые стенки промежуточного бьефа; 6 водослив; 7 отверстие в верхней крышке диффузора.

На рисунке 19 приведена модель регулятора, выполненная из органического стекла. Площадь поперечного сечения трубы составила 0,06х0,06 м, площадь выходного сечения диффузора 0,0036 м². Диффузор выполнен со степенью расширения n=4 с расширением в 2-х плоскостях. В горизонтальной плоскости центральный угол =30⁰. В вертикальной плоскости угол равен =5⁰. Площадь отверстия для инжектируемого равна площади трубы, подающей инжектирующий поток 0,0036 м²

50

Рисунок 18 – Общий вид экспериментальной установки: 1 – задвижка; 2 – нагнетательный трубопровод; 3 – напорный бак; 4 – мерное стекло напорного бака; 5 – гидравлический лоток; 6 – отверстие, оборудованное успокоительной решеткой, через которое из напорного бака вода поступает в ВБ; 7 – щит с пьезометрами; 8 – перегородка между ВБ и НБ; 9 – гидравлическая модель; 10 – шпитценмасштаб ВБ; 11 – шпитценмасштаб НБ; 12 – плоский затвор; 13 – плоский жалюзный затвор; 14 – успокоительный бак; 15 – успокоительные сетки; 16 – мерный треугольный водослив; 17 – стакан со шпитценмасштабом мерного водослива; 18 – слив в основной резервуар; 19 – металлические опоры лотка и напорного бака.

Главная проблема с выбором конструкции выходного участка – это расчет параметров элементов диффузора с высокой степенью расширения и низким коэффициентом сопротивления. Оптимальные углы горизонтального и вертикального расширения для прямоугольных диффузоров составляют _опт.=(6÷10)º и _опт.=(3÷7)º, именно они позволяют протекать потоку воды без отрыва, обеспечивая при этом невысокие значения коэффициентов сопротивления. Диффузоры с оптимальными углами при больших значениях степеней расширения являются конструктивно излишне длинными и сложными в монтаже, что затрудняет их установку на реальном объекте.

Кроме того, расширение достаточно длинного диффузора в вертикальной плоскости позволит серьезно сократить значение перепада между уровнем нижнего бьефа и кромкой водослива, расположенного на крышке диффузора, что негативно скажется на диапазоне регулирования, следующая причина нежелательности значительного расширения диффузора в вертикальной плоскости – это обеспечение напорного течения в пределах всего водопроводящего тракта регулятора. Это связано с тем, что выходная кромка водовыпуска должна быть размещена ниже минимального уровня нижнего бьефа как минимум на 2..3 скоростных напора. В случае высокого подъема верхней крышки диффузора над уровнем дна в отводящем канале понадобится заглубление сжатого сечения ниже отметки дна канала, что вызовет увеличение объема земляных работ, и негативно скажется на фильтрационной прочности сооружения.

В качестве противосбойных устройств в диффузоре, имеющем высокую степень расширения, было установлено две укороченных разделительных стенки толщиной 0,005 м каждая. Для снижения сопротивлений обтеканию потока разделительные стенки имели центральный угол обточки передней и задней торцевых стенок равный 45⁰. Длина разделительных стенок равна 2 диаметра трубопровода или 0,12 м.

Указанные особенности конструкции регулятора были выбраны для обеспечения транспортирующей способности потока при одновременном снижении динамических нагрузок.

Для определения суммарного расхода воды Q_Ʃ на мерном треугольном водосливе использовался шпитценмасштаб. Уровни воды в бьефах измерялись с помощью шпитценмасштаба. В пределах проточной части водовыпуска-регулятора измерялось давление 16-ю пьезометрами, расположенными по оси верхней и боковой граней Диаметр устья пьезометров составлял 0,2 см. За плоскость сравнения принята ось выходного сечения транзитной трубы водовыпуска. Пример распределения давлений в одной из серий опытов приведен на рисунке 20.

Рисунок 20 – Пьезометрическая линия регулятора

Модель испытывалась при числах Рейнольдса свыше 1.310⁵ (автомодельная зона). Масштаб моделирования 1:10, критерий моделирования – число Фруда.

Обработка результатов измерений производилась согласно ГОСТ ИСО и включала ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 [41-43]:

• Определение стандартного отклонения воспроизводимости в наладочной серии опытов.
• Тестирование выбросов по критерию Граббса.
• Наладочные эксперименты для определения стандартного отклонения воспроизводимости
• Проверку условий повторяемости и воспроизводимости в пределах повторных измерений на каждом уровне в серии опытов.
• Оценку точности непосредственно измеряемых величин
• Оценку точности косвенно измеряемых величин.

Для непосредственно измеряемых величин предельные значения суммарной относительной ошибки (с неисключенной систематической ошибкой) с вероятностью 95% составили:

• для определения глубины потока 3,08%,
• для расхода модельной установки 2,29%,
• для расхода управляющего водослива 4,09 %,
• для пьезометрического давления 1,75%,
• для местных скоростей потока со свободной поверхностью 3,38%.

Для косвенно измеряемых величин значения суммарной относительной ошибки (с неисключенной систематической ошибкой) с вероятностью 95% составили:

• Для коэффициентов местных гидравлических сопротивлений 2,5%,
• Для коэффициентов расхода 1,23%.

Обработка данных, выполненная согласно ГОСТ ИСО, позволила сделать вывод о достаточно высокой точности проведения гидравлического эксперимента.

3.2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В РЕГУЛЯТОРЕ

После завершения физического эксперимента было выполнено численное моделирования течения в пределах проточного тракта регулятора и прилегающих к нему бьефов. Цель численного моделирования – уточнение гидродинамической картины течения в инжекционном регуляторе расхода и выяснение степени стеснения инжектирующего потока инжектируемым для последующей проверки полученных теоретических зависимостей (ф. 13).

Полная система уравнений движения вязкой жидкости (в векторном виде), подчиняющейся закону Навье-Стокса имеет вид [44]:

где F – результирующий вектор массовых сил; – кинематический коэффициент вязкости, ; μ – динамический коэффициент вязкости; – второй коэффициент вязкости, ; λ – коэффициент Ламе при движении вязкой жидкости; ρ – плотность жидкости.

Первое из уравнений системы является уравнением неразрывности. Второе уравнение – уравнение движения линейной вязкой жидкости с постоянными коэффициентами вязкости – уравнение Навье-Стокса (полученное подстановкой одноименного закона в уравнение импульсов). Модели турбулентности, используемые в расчетах, основаны на решении осредненных уравнений Рейнольдса (RANS). В расчетах была использована k-ε модель со «стандартным» набором констант: С_ε1=1,43; С_ε2=1,92; С_μ=0,09; σ_к=1,0; σ_ε =1,0; α₁=α₂=α₃=0 [45]. Также данная модель хорошо себя зарекомендовала при проведении расчетов стабилизаторов и регуляторов расхода гидродинамического действия.

Численное моделирование течения в регуляторе было выполнено в пакете гидродинамического моделирования STAR-CCM+. В начале моделирования в CAD-системе SolidWorks [46] были разработаны твердотельные 3D-модели, рассматривался только объем, занятый водой. Расчетная сетка сгенерирована с помощью объемного сеткопостроителя с использованием модели призматического слоя в пристеночной области водовыпуска. Особенностью построения расчетной сетки стало сгущение ячеек в области расположения разделительных стенок. Моделирование свободной поверхности течения произведено с использованием двухфазного взаимодействия VOF (Volume of Fluid) с гравитационной составляющей. В методе VOF многофазная среда рассматривалась как однофазная текучая среда, свойства которой изменяются согласно объемной доле каждой из присутствующих фаз [47]. Решение задачи искалось в нестационарной постановке.

Проведен однофакторный (наладочный) численный эксперимент, изменяемым фактором стало давление во входном сечении водовыпуска. Модели рассчитывались при одинаковых параметрах расчетной сетки и одинаковых граничных условиях. Результаты численного моделирования течения в регуляторе были сопоставлены с данными физического эксперимента. В результате проверки сеточной сходимости выбрана сетка с размером ячейки 2,5 мм. Общий вид 3D-модели экспериментальной установки приведен на рис. 21.

Рисунок 21 – 3D-модель экспериментальной установки для численного эксперимента

В результате численного моделирования были получены векторные поля скоростей в пределах проточной части инжекционного регулятора расхода разработанной конструкции при различных уровнях воды в верхнем и нижнем бьефах. Пример векторного поля (срез по оси водовыпуска) приведен на рисунке 22, пример объемного векторного поля приведен на рисунке 23.

Рисунок 22 – Векторное поле скоростей по оси регулятора

Рисунок 23 – Объемное векторное поле скоростей

Пример свободной поверхности в нижнем и регулирующем бьефах приведен на рисунке 24. Уровень свободной поверхности в нижнем и регулирующем бьефах представлен на рисунке 24. На рисунке 25 приведен пример распределения давления в пределах проточного тракта регулятора, нижнего и регулирующего бьефов для одного из экспериментов в серии.

Рисунок 24 – Свободная поверхность в нижнем и регулирующем бьефах

Рисунок 25 – Распределение давления в пределах проточного тракта регулятора, нижнего и регулирующего бьефов

В результате гибридного эксперимента было выяснено, что инжектирующий поток способен вызвать подъем воды из регулирующего бьефа до уровня нижнего бьефа при всех горизонтах воды, не превышающих отметки поверхности воды в отводящем канале. При этом доля поперечного сечения, занимаемого инжектируемым потоком, незначительно изменяется и может быть в среднем принята равной 0,862.

Таким образом, была доказана правомерность рассмотрения области течения в водовыпуске пределах отверстия в верхней крышки диффузора как сопла, образуемого не твердыми стенками, а поверхностью раздела инжектирующего и инжектируемого потоков. Площадь сопла определена результатами гибридного эксперимента как площадь инжектирующего потока в камере смешения и при верификации теоретических зависимостей (ф. 13 и ф.14) параметр F₁/F₂=0.862.

3.3 ВЕРИФИКАЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

Верификация основных теоретических зависимостей (ф.13 и ф.14), полученных в результате предложенного нового метода гидравлического расчета регуляторов расхода по нижнему бьефу для оросительных каналов. В предложенном методе работа водовыпуска рассматривалась как течение в инжекционном устройстве, при котором инжектирующий поток подается из верхнего бьефа, а инжектируемый поступает из регулирующего объема, расположенного в наддиффузорном пространстве и наполняемого излишками водоподачи [48].

На рисунке 26 приведена расходная кривая для инжекционного регулятора, разработанного авторами и изученного с помощью гибридного эксперимента. Каждая из точек это среднее значение в одной из серий опытов с постоянными значениями верхнего и нижнего бьефа. Всего выполнено 11 серий опытов. На кривую нанесены результаты вычислений по новым формулам ф.13 и ф.14. Для удобства оси представлены относительными величинами. В расчетах принято постоянное соотношение площадей F₁/F₂=0.862, полученное в результате анализа данных численного моделирования.

Рисунок 26 – Теоретическая расходная кривая инжекционного водовпуска-регулятора и результаты физического эксперимента

Сравнение результатов теоретического расчета и данных гидравлических испытаний модели водовыпуска-регулятора показали их достаточную сходимость. Следовательно, проведение гидравлического расчета по формулам, полученным авторами, правомерно.

Как было отмечено в п. 1.3, узел слияния потоков Q₁ и Q₀ в существующих до настоящего времени методах расчета регуляторов рассматривался как вытяжной тройник, что приводило к расхождению экспериментальных данных и данных по формулам расчета, использующим коэффициенты гидравлических сопротивлений тройников. Предложенный новый метод расчета устраняет указанный недостаток. На рисунке 27 приведено сравнение экспериментальных значений для разработанной формы проточной части инжекционного водовыпуска, данных расчета, использующих старую методику (рассмотрение узла слияния, как вытяжного тройника) и расчеты по новым формулам (ф.13 и ф.14). Как видим, при расчетам по инжекционным формулам экспериментальные и теоретические значения совпадают.

Рисунок 27 – Сравнение точности нового метода расчета с данными эксперимента и существующими расчетными зависимостями

Для дополнительной верификации нового метода расчета были использованы не только данные испытаний инжекционного регулятора с укороченными разделительными стенками новой конструкции, но и данные исследований регуляторов расхода более простых конструкций. Это позволило оценить правомерности использования нового метода расчета при различных площадях отверстия в крышке диффузора (элемент 4 на рисунке 11).

Данные представлены результатами изучения в зеркальном гидравлическом лотке регуляторов расхода с пирамидальным диффузором со степенью расширения n=2,25 и углами расширения в горизонтальной плоскости 6⁰, в направлении верхнего бьефа 5⁰. Диффузор обеспечивал безотрывное течение потока, так как изначально его углы расширения были близки к оптимальным и устройства противосбойных устройств не требовалось [48].

Площадь отверстия 4 в верхней крышке диффузора (рисунок 11) принимала значения 0.6, 0.8, 1.0 и 1.15 от поперечной площади транзитной части водовыпуска. Торцевая стенка вблизи отверстия имела угол наклона 120⁰. Общий объем экспериментального материала составлял 70 вариантов испытаний (без учета повторов). Каждый вариант относительной площади отверстия был исследован при различных уровнях верхнего, нижнего и промежуточного бьефов. До настоящего времени теоретические расчеты описанных конструкций базировались на гидравлических потерях в вытяжных тройниках с углом бокового подвода 120⁰ при различных соотношениях площади прямого и бокового проходов k и площади сборного рукава, равной площади прямого прохода.

Для использования расчетных зависимостей (ф. 13 и ф.14) необходимо знать площади, занимаемые инжектируемым и инжектирующим потоками в камере смешения . Для указанных конструкций регулятора эти значения были определены экспериментально и незначительно уменьшались с ростом инжектируемого потока. Для упрощения расчетов величина . была принята постоянной и равной 0,77. Значение . Было получено в результате гибридного моделирования и численного определения гидродинамической картины течения в пакете STAR-CCM+.

Результаты сравнения вычисленных теоретически и определенных экспериментально отношений и приведены на рисунке 28.

Экспериментальные точки, соответствующие различным площадям отверстия в крышке диффузора, одинаково хорошо описываются единой теоретической зависимостью. Следовательно, рассмотрение течения в регуляторе допустимо описывать уравнениями инжекции и величина сливающихся расходов в меньшей степени зависит от площади отверстия, подающего инжектируемый поток, а связана с уровнем воды в промежуточном бьефе и степенью стеснения инжектируемым потоком камеры смешения. Таким образом, объясняется выявленное ранее незначительное влияние угла подвода потока со стороны нижнего бьефа, используемого при гидравлическом расчете сооружений по формуле тройников.

Рисунок 28 – Теоретическая кривая и экспериментальные значения для диффузора с оптимальными углами расширения без противосбойных устройств

Напор на сооружение равен , и отношение напоров над уровнем промежуточного бьефа всегда больше единицы . Зависимость имеет два характерных участка: значительное превышение расхода Q₀, забираемого из промежуточного бьефа над расходом Q₁, поступающим из верхнего бьефа в нижний и практически постоянное соотношение сливающихся в регуляторе расходов, при котором из промежуточного бьефа забирается от 20% расхода транзита. Каждой форме исполнения проточной части регулятора и положению водовыпуска относительно уровней воды в бьефах соответствует свой участок кривой, которому будут подчиняться сливающиеся в регуляторе расходы. Положение пика кривой зависит от коэффициента сжатия : чем меньшую часть поперечного сечения камеры смешения занимает инжектирующий поток, тем пик острее и расположен ближе к точке с абсциссой , при этом ордината пика остается практически неизменной.

Наполнение промежуточного бьефа осуществляется за счет перелива потока через кромку водослива 6 (рисунок 11). Для обеспечения требуемого отношения сливающихся в регуляторе расходов достаточно поддерживать в промежуточном бьефе соответствующий уровень воды. Другими словами, через водослив из нижнего бьефа должен поступать расход Q_вод, часть которого Q₀ будет инжектирована в камеру смешения, а оставшаяся часть останется в наддиффузорном пространстве. Точность регулирования будет непосредственно связана с точностью поддержания уровня воды в промежуточном бьефе, который можно назвать регулирующим.

Сопоставление экспериментальных данных и теоретических зависимостей показало правомерность рассмотрения течения воды в регуляторе расхода по нижнему бьефу как в инжекционном устройстве. Поток, поступающий из верхнего бьефа в нижний, является инжектирующим, поток, циркулирующий между нижним бьефом и выходным сечением регулятора – инжектируемым.

3.4 ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Расчеты по инжекционной формуле (ф. 13 и ф.14) справедливы для регуляторов, не имеющих сопла. Их допустимо проводить при постоянном значении , характеризующим долю поперечного сечения камеры смешения, занятую инжектирующим потоком.

Регулятор усовершенствованной конструкции должен иметь следующую форму исполнения протечной части:

• Трубчатый водовыпуск диаметром 0,6 м, уложенный под перегораживающим сооружением на канале
• Бетонный диффузор трапецеидального поперечного сечения, вынесенный в нижний бьеф и имеющий степень расширения n=4 с центральным углом расширения в горизонтальной плоскости 30⁰ (по 15⁰ на сторону) и с углом расширения 5⁰ в вертикальной плоскости.
• Диффузор имеет три разделительные стенки толщиной 0,2м с заостренными торцевыми поверхностями. Длина стенок составляет 2/3 от длины диффузора. Оси симметрии разделительных стенок делят на 3 равные отсека входное сечение диффузора и сечение, в котором они заканчиваются.
• В части верхней крышке диффузора, примыкающей к водовыпуску, выполняется квадратное отверстие площадью 0,6х0,6м
• На верхней крышке диффузора устраивается водосливной порог на отметке, соответствующей максимальному водопотреблению в нижнем бьефе (минимальный уровень воды в канале).
• Наддиффузорное пространство (пространство для промежуточного или регулирующего бьефа) может как призматическим, так и пирамидальным. Форма наддиффузорного пространства зависит от необходимой из условий регулирования глубины воды в регулирующем бьефе.

Точность регулирования связана с возможностью поддержания необходимого уровня воды в наддиффузорном пространстве, который формируется излишком расхода, подаваемого через водослив на крышке диффузора.

Излишки водоподачи ниже створа перегораживающего сооружения приводят к росту уровня воды в отводящем канале. При совмещении порога водослива 6 (рисунок 11) с уровнем воды в канале, соответствующем максимальному водопотреблению, приращение глубины воды можно определять по кривой связи, которая строится для каждого канала и зависит от его геометрических характеристик, шероховатости дна и стенок канала. В при проектировании и эксплуатации оросительных каналов всегда строится или имеется в наличии кривая связи между наполнением канала и глубиной воды в нем [49]. Пример кривой для канала трапецеидального поперечного сечения, выполненного в земляном русле, и имеющего ширину по дну b=2,5 м при коэффициенте заложения откосов m=1.5 приведен на рисунке 29.

Рисунок 29 – Кривая связи для канала трапецеидального поперечного сечения с m=1.5 и b=2,5 м

 

Расходы дождевальных машин с водозабором из оросительного канала:

• ДДН 0,065..0,115 м³/с
• ДДА-100МА 0,1 м³/с
• ДДА-ЮОМА 0,12-0,14 м³/с
• Кубань 0,18 м³/с
• Таврия 0,2 м³/с

На каждые 0,1 м по глубине канала приходится расход от 0,1 м³/с на низких горизонтах до 0,6 м³/с на высоких. Перепад глубин на водосливе регулятора инжекционного действия определяется пропорционально одновременному или поэтапному отключению заданного числа дождевальных машин, которые питаются из оросительного канала, ниже створа перегораживающего сооружения, в пределах которого расположен регулятор. Таким образом, возможно определение расхода, поступающего через водослив.

Расход, поступающий через водослив, должен обеспечить требуемую глубину воды в регулирующие бьефе с учетом того, что часть поступающей воды будет инжектироваться транзитным потоком. Расходы инжектируемого и инжектирующего потока для каждого расчетного случая определяются по полученным ранее формулам.

Для автоматизации гидравлического расчета создана компьютерная программа «Гидравлический расчет инжекционного регулятора расхода». Программа предназначена для гидравлического расчета инжекционного регулятора расхода воды, устанавливаемого в оросительном канале.

Исходными данными являются: параметры формы исполнения проточной части регулятора и его привязки к уровням воды в бьефах в створе перегораживающего сооружения. Плоскостью отсчета считается уровень воды в наддиффузорном пространстве (промежуточном бьефе). Результатами расчетов являются расход, поступающий из верхнего бьефа в нижний (расход водовыпуска или инжектирующий поток) и расход, циркулирующий между нижним бьефом и камерой смешения (излишки водоподачи или инжектируемый поток). Все исходные данные вводятся в системе СИ. Язык программирования: Lazarus. Объем программы для ЭВМ: 23 Мбайт.

Потенциальными заказчиками разработанного программного обеспечения является инженерно-технический персонал проектных организаций мелиоративного и водохозяйственного комплекса. Как правило, это лица, имеющее высшее специальное образование, и обладающее навыками уверенного пользователя персонального компьютера. Программное обеспечение для гидравлических расчетов предназначено для индивидуальной работы инженера, который самостоятельно вносит необходимые для расчетов исходные данные, запускает программу на счет и получает результаты вычислений. Программа не рассчитана на многопользовательскую работу в режиме он-лайн.

Алгоритм (метод) расчета инжекционного регулятора базировался на новом, созданном авторами методе гидравлического расчета водовыпусков-регуляторов гидродинамического действия.

Тестирование программы было выполнено как разработчиками, так и инженерно-техническим персоналом. Руководство для пользователей и справочная система были составлены коллективом разработчиков.

Требования к разрабатываемому программному обеспечению, согласно [50] включали в себя бизнес-требования, требования пользователей и функциональные требования. Бизнес-требование к программному обеспечению: возможность использования проектными организациями, низкие требования к аппаратному обеспечению, легкость установки и запуска расчетной программы, перемещения, эффективность и устойчивость к сбоям.

Требование потенциальных пользователей: быстрое и однозначное определение всех указанных гидравлических параметров водовыпусков-регуляторов. Функциональные требования включали: возможность использования ввода данных с клавиатуры, и просмотр результатов расчетов на мониторе, обеспечение ввода/вывода данных в системе СИ. Атрибуты качества (или дополнительное описание свойств программного продукта) включали: интуитивно простой интерфейс, возможность контроля правильности ввода исходных данных и наглядность рассчитываемых параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения научных исследований были успешно решены поставленные перед исследователями задачи:

1. Разработан новый метод теоретического расчета водовыпусков-регуляторов инжекционного действия, повышающий точность гидравлических расчетов и позволяющий однозначно связать пропускную способность регуляторов расхода с уровнем воды в створе перегораживающего сооружения. Впервые напорное водопропускное гидротехническое сооружение автоматического действия рассматривается как инжектор.
2. Разработана усовершенствованная форма исполнения проточной части водовыпуска-регулятора с учетом недостатков, выявленных при работе предыдущих конструкций. Водовыпуск имеет низкие гидродинамические нагрузки в процессе регулирования, обеспечивает высокую транспортирующую способность наносов в пределах водопроводящего тракта, исключает возможность возникновения кавитации.
3. Новый метод теоретического расчета успешно верифицирован по результатам экспериментальных гидравлических испытаний как новых водовыпусков-регуляторов, так и регуляторов существующих конструкций, а также по результатам численного моделирования течения в сооружении и прилегающих бьефах в пакете гидродинамического моделирования STAR-CС M+.
4. Разработаны рекомендации по исполнению проточной части инжекционных регуляторов расхода усовершенствованной конструкции.
5. Разработана и протестирована (как разработчиками, так и инженерно-техническим персоналом) программа для ЭВМ «Гидравлический расчет инжекционного регулятора расхода», простая в использовании и не требующая значительных системных ресурсов. Программа отправлена на Государственную регистрацию.

Результаты исследований могут применяться проектными организациями мелиоративного и водохозяйственного профиля при гидравлическом расчете и проектировании новых водопропускных сооружений автоматического действия на каналах оросительных систем, а также службами эксплуатации оросительных систем при реконструкции существующих сооружений с целью их переоборудования в средства автоматизации водоподачи.

Разработанные водовыпуски-регуляторы не имеют мировых аналогов среди гидротехнических сооружений, входящих в состав оросительных систем. Они могут быть установлены на оросительных каналах вне линий электропередачи, так как используют только энергию движущейся воды для осуществления процесса управления водоподачей. Инжекционные регуляторы не содержат механических подвижных частей и включаются в работу автоматически при снижении водопотребления в нижнем бьефе. При последующем увеличении водопотребления регуляторы восстанавливают свою пропускную способность.

В соответствии с подпунктами «а» — «ж» пункта 20 Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 (Собрание законодательства Российской Федерации, 2016, № 49, ст. 6887).

Список использованной литературы

Приложения