NONSTATIONARY WATER FLOW PARAMETERS ANALYSIS IN THE FLOWING ZONE THAT IS PAST WEIR

Abstract

Supercritical water flow passing through the broadcrested weir has been experimentally examined. Engineering-based results on hydraulic-jump wave length and conjugated depths measurement considering the weir geometrical characteristics changers.

Full Text

В настоящее время в практике гидротехнического строительства встречается значительное количество сооружений, частично перегораживающих русло водотоков, расчет которых потребует учет прохождения через них волн попуска. К таким сооружениям, например, относятся мостовые переходы, которые имеют ряд особенностей по сравнению с другими гидротехническими сооружениями, существенно усложняющими расчеты. Это малые размеры отверстий моста по сравнению с шириной потока в паводок и большие скорости течения в отверстие моста. Аналогичная задача возникает также при взаимодействии длинных волн с оградительными сооружениями, частично загораживающими вход в порт. Изменение расхода воды в створах гидроузлов, изменение режима работы ГЭС или насосных агрегатов приводят к образованию волн перемещения. В зависимости от способа образования, волны перемещения подразделяются на прерывные, непрерывные и волны ондуляции. Эти волны распространяются с большой скоростью на значительные расстояния и оказывают воздействие на береговые откосы, сооружения частично перегораживающих русло водотоков и других гидротехнических объектов. Анализ состояния вопроса по трансформации длинных волн в открытых водотоках и их взаимодействия с преградами показывает, что разработаны численные и аналитические методы решения данной проблемы. Многочисленными экспериментальными результатами подтверждена правомерность использования этих методов, однако очень мало работ по изучению влияния бокового стеснения русла на параметре подходящего и прошедшего волнового потока. Не доказана обоснованность теоретических и экспериментальных результатов в случае бокового сжатия русла для различных типов волн и не определен предел изменения предлагаемых зависимостей. Не наблюдается сравнение экспериментальных и теоретических результатов по прошедшим волнам в случае бокового и вертикального сужения русла. Известно, что в зоне растекания потока за сужением или после прохождения волны через преграды сильно изменяется скорость течения потока, а переход от одного состояния потока в другое возможен через образование гидравлического прыжка. Наиболее важной для практики является длина максимального отгона гидравлического прыжка, определяющая зону обмеления и, следовательно, вероятного размыва дна русла. Течение при взаимодействии прерывной волны с расширением в нижнем бьефе отличается от схематизированных решений тем, что по прошествии некоторого времени скорость сноса обращенного бора замедляется, глубина за его фронтом растет, затем направление его движения меняется на обратное и он постепенно приближается к створу излива. Таким образом, нестационарная картина течения вырождается в известную схему сопряжения бьефов со стационарным гидравлическим прыжком [5]. В реальных условиях при выходе высокоскоростного водного потока из узкой части канала в широкую часть образуются разные формы гидравлического прыжка, и, естественно, вопросы, связанные с определением гидравлических параметров совершенного прыжка, считаются весьма актуальными для специалистов гидротехнического профиля. В нашей работе представлены несколько реальных вариантов гидравлического прыжка, имеющих место в практике эксплуатации оросительных каналов (рис. 3). За длину гидравлического прыжка обычно принимают лишь длину горизонтальной проекции поверхностного вальца. Поэтому точность определения длины гидравлического прыжка является весьма сложным процессом вследствие нарушения гидростатического распределения давления и распределения скоростей в этой области. Существуют различные формулы определения длины прыжка в прямоугольных руслах. Области применения этих формул определяются по конкретным значениям числа Фруда втекающего потока. При рассмотрении взаимодействия прерывной волны с местным сужением русла различной степени необходимо было экспериментально определить предельное значение соотношения сопряженных глубин (h3, h6), при котором можно было бы установить минимальную длину гидравлического прыжка, когда совершенный гидравлический прыжок переходит в прыжок-волну. Решение такой задачи вызвало ряд особенностей вследствие измерения сжатой глубины потока (h3) за местным сужением. Измерение сжатой глубины потока потребовало особого внимания, и было сделано следующее: при постоянной высоте подходящей волны и соотношении b/B, где b – ширина местного сужения; В – ширина канала (см. рис. 1), измерялась глубина в нескольких точках от створа излива до места образования поверхностного вальца (гидравлического прыжка) и в качестве сжатой глубины была принята наименьшая глубина среди измеренных; при изменении высоты подходящей волны и в последующих изменениях степени сужения подход был аналогичен вышеуказанному методу. Глубина за прыжком измерялась на участке выравнивания потока и в нескольких точках от места образования поверхностного вальца. После обработки результатов измерения нами была получена зависимость соотношения сопряженных глубин из числа Фруда в сжатом сечении h6/h3=f(Fr3). Экспериментально полученные сопряженные глубины (h3, h6) также оценивались по известной формуле сопряженных глубин [1-4]: Рис. 1. Влияние числа Фруда (Fr3) на соотношения сопряженных глубин: (●, ○, ×) – экспериментальные точки автора соответственно при ℰ = 0,27; 0,53; 0,77; — – по данным Г.К. Илчева; – — – по формуле А.И. Модзалевского (2) h6  0,5( h3 1  8Fr3 1). (1) Fr3 > 3 KpMBa5I 2, noAyqeHHa5I no cpopMyAe (2), oTpIBaeTc5I oT AMHMM 1. B pe3yAhTaTe 3Toro coBepIIIeHHIM Ha pMc. 1 npe4cTaBAeHI noAyqeHHIe HaMM 3KcnepMMeHTaAhHIe pe3yAhTaTI M pe3yAhTaTI, noAyqeHHIe no M3BecTHIM cpopMyAaM conp5IKeHHIx rAy6MH. KaK BM4Ho M3 pMcyHKa, noAyqeHHIe HaMM 3KcnepMMeHTaAhHIe pe3yAhTaTI npM pa3AMqHIx 3HaqeHM5Ix cTeneHM cyKeHM5I (l=b/B) y4oBAeTBopMTeAhHo coBna4aIOT c TeopeTMqecKoM KpMBoM f.K. MAqeBa [2, 4, 5] (KpMBa5I 1) [1-4]. Ha 3ToM Ke pMcyHKe npe4cTaBAeHI TeopeTMqecKMe KpMBIe, noAyqeHHIe no cpopMyAaM A.M. Mo43aAeBcKoro [1-4] 4A5I npIKKaBoAHI npM qMcAe <I>py4a Fr3 < 3 M h6/h3 < 2: h rM4paBAMqecKMM npIKoK npM Fr3<3 nepexo4MT K BoAHMcToMy npIKKy. MHKeHep B.A. CapKMc5IH Ha ocHoBaHMM cBoMx 3KcnepMMeHToB ycTaHoBMA npe4eAhHoe 3HaqeHMe qMcAa <I>py4a, npM KoTopoM npIKoK BoAHI nepexo4MT K coBepIIIeHHoMy rM4paBAMqecKoMy npIKKy, M 3To npe4eAhHoe 3HaqeHMe oKa3aAoch paBHo Frnp.=2,25, a npM 3ToM cooTHoIIIeHMM conp5IKeHHIe rAy6MHI cocTaBA5IAM h6/h3= 1,64. KaK BM4Ho M3 pMc. 1, 3ToT cpaKT no4TBep4MAc5I M B HaIIIMx 3KcnepMMeHTaAhHIx MccAe4oBaHM5Ix. Ha ToqKe nepeceqeHM5I h6/h3=1,64 M Fr3=2,25 3KcnepMMeHTaAhHIe ToqKM HaqaAM oTpIBaThc5I oT 6  1,15 h 3 Fr  0,15 (KpMBa5I 2). (2) 3 KpMBoM (2), noAyqeHHoM 4A5I npIKKa BoAHI. Onpe4eAeHMe 4AMHI rM4paBAMqecKoro npIKKa KaK BM4Ho M3 rpacpMKa, 3TM KpMBIe npM Fr3 < 3 npaKTMqecKM 4aIOT o4MHaKoBIe pe3yAhTaTI, a npM npoM3Bo4MAoch no M3MepeHHIM 3HaqeHM5IM conp5IKeHHIx rAy6MH. KaK oTMeqaAoch BIIIIe, cy�ecTByIOT Рис. 2. Влияние числа Фруда (Fr3) на относительную длину гидравлического прыжка: 1 – по формуле Н.Д. Чертоусова (4); 2 – по формуле О.М. Айвазяна (3); ●, ○, × – экспериментальные точки автора соответственно при ℰ =0,27; 0,53; 0,77 а б в г Рис. 3. Образование гидравлического прыжка в реальных условиях: а выход бурного потока из узкого канала в широкий; б течение бурного потока в открытом канале; в, г образование гидравлического прыжка Fr3 > 3 KpMBa5I 2, noAyqeHHa5I no cpopMyAe (2), oTpIBaeTc5I oT AMHMM 1. B pe3yAhTaTe 3Toro coBepIIIeHHIM h / h 6 3  1,64. (6) rM4paBAMqecKMM npIKoK npM Fr3<3 nepexo4MT K BoAHMcToMy npIKKy. MHKeHep B.A. CapKMc5IH Ha ocHoBaHMM cBoMx 3KcnepMMeHToB ycTaHoBMA npe4eAhHoe 3HaqeHMe qMcAa <I>py4a, npM KoTopoM npIKoK BoAHI nepexo4MT K coBepIIIeHHoMy rM4paBAMqecKoMy npIKKy, M 3To npe4eAhHoe 3HaqeHMe oKa3aAoch paBHo Frnp.=2,25, a npM 3ToM cooTHoIIIeHMM conp5IKeHHIe rAy6MHI cocTaBA5IAM h6/h3= 1,64. KaK BM4Ho M3 pMc. 1, 3ToT cpaKT no4TBep4MAc5I M B HaIIIMx 3KcnepMMeHTaAhHIx MccAe4oBaHM5Ix. Ha ToqKe nepeceqeHM5I h6/h3=1,64 M Fr3=2,25 3KcnepMMeHTaAhHIe ToqKM HaqaAM oTpIBaThc5I oT KpMBoM (2), noAyqeHHoM 4A5I npIKKa BoAHI. Onpe4eAeHMe 4AMHI rM4paBAMqecKoro npIKKa npoM3Bo4MAoch no M3MepeHHIM 3HaqeHM5IM conp5IKeHHIx rAy6MH. KaK oTMeqaAoch BIIIIe, cy�ecTByIOT pa3AMqHIe cpopMyAI onpe4eAeHM5I 4AMHI rM4paBAMqecKoro npIKKa B 3aBMcMMocTM oT 3HaqeHM5I qMcAa <I>py4a BTeKaIO�ero noToKa (Fr3). B HaIIIeM cAyqae MI oQeHMAM 4AMHy npIKKa no cpopMyAe, noAyqeHHoM AMBa35IHoM, KoTopIM 4aeT pe3yAhTaTI npM qMcAe <I>py4a MeHhIIIe 5. 3Ty cpopMyAy MoKHo npe4cTaBMTh B BM4e CoBMecTHoe peIIIeHMe cMcTeMI (5), (6) 4aeT npe4eAhHoe 3HaqeHMe 4AMHI rM4paBAMqecKoro npIKKa npM nepexo4e coBepIIIeHHoro npIKKa K BoAHMcToMy npIKKy. 3To 3HaqeHMe cocTaBA5IeT f n / h3 np.  7,5 . TaKMM o6pa3oM, pe3yAhTaTI npoBe4eHHIx 3KcnepMMeHToB, xopoIIIo corAacyIO�Mxc5I c aHaAMTMqecKMM peIIIeHMeM, no3BoA5IIOT ycTaHoBMTh 3aBMcMMocTM 4AMHI rM4paBAMqecKoro npIKKa oT KMHeTMqHocTM noToKa 3a cyKeHMeM M onpe4eAMTh npe4eAhHyIO 4AMHy rM4paBAMqecKoro npIKKa npM nepexo4e K BoAHMcToMy npIKKy, Heo6xo4MMyIO npM pacqeTax KpenAeHM5I HMKHero 6hecpa. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Большаков, В.А. Справочник по гидравлике [Текст] /В.А. Большаков, Ю.М. Константинов и др. Киев: Вища шк., 1977. Киселев, П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам [Текст] / П.Г. Киселев; под ред. П.Г. Киселева. М., 1872. Сайриддинов, С.Ш. Прохождение длинных волн через разные формы сжатия в открытых руслах: дис. … канд. техн. наук [Текст] / С.Ш. Сайриддинов. М., 1991. 150 с. f / h (h  k 6  h )3 3 , (3) Сайриддинов, С.Ш. Методы определения вероятного размыва за преградами в водоотводящем каn 3 4h2 h r4e k  8(10  Fr 3 3 6 Fr ) 3 . нале [Текст] / С.Ш. Сайриддинов // ВНИИНТПИ Госстроя России. Серия «Строительство и архитектура»: экспресс-информация (зарубежный и отечественный опыт). Вып. 3. М., 2004. Ha pMc. 2 npe4cTaBAeHa 3aBMcMMocTh B BM4e Сайриддинов, С.Ш. Нестационарные течения в открытых руслах с водосливными преградами [Текст] / f / h  f (Fr ), n 3 3 M cpaBHMBaIOTc5I noAyqeHHIe 3KcС.Ш. Сайриддинов // Вестник РУДН. Серия «ИнженерnepMMeHTaAhHIe pe3yAhTaTI c pacqeTaMM O.M. AMBa35IHa M H.A. qepToycoBa. I1pM 3HaqeHMM Fr3>3,5 cpopMyAI O.M. AMBa35IHa (3) M H.A. qepToycoBa 0,81 ные исследования». М., 2011. №2. С. 62-66.  Сайриддинов С.Ш., 2013 f n / h3  10,3( 4aIOT o4MHaKoBIe pe3yAhTaTI. Fr3  1) (4) I1oAyqeHHIe pe3yAhTaTI, npe4cTaBAeHHIe Ha pMc. 1, 2, 4aIOT Bo3MoKHocTh coBMecTHo peIIIMTh cpopMyAy (3) M npe4eAhHoe 3HaqeHMe conp5IKeHHIx rAy6MH (h6/h3)np.=1,64, npM KoTopoM npoMcxo4MT nepexo4 coBepIIIeHHoro rM4paBAMqecKoro npIKKa K BoAHMcToMy npIKKy. 3TM BIpaKeHM5I MoKHo npe4cTaBMTh B BM4e f / h (h  k 6  h )3 3 ; (5) n 3 4h2 h 3 6