ИССЛЕДОВАНИЯ  ВИДОВ  СОПРЯЖЕНИЯ  БЬЕФОВ  СО  СБОЙНЫМ  ТЕЧЕНИЕМ  ЗА  МНОГОПРОЛЕТНЫМИ  ШЛЮЗАМИ-РЕГУЛЯТОРАМИ

Шинибаев  Абай  Дуйсекович

профессор,  д-р  техн.  наук,  Казахский  Национальный  технический  университет  им.  К.И.  Сатпаева,  Республика  Казахстан,  г.  Алматы

E -mail:  Abai_56@  mail.ru

Парманов  Усен  Сарварович

преподаватель,  магистр  строительства,  Казахский  национальный  технический  университет  им.  К. И.  Сатпаева,  Республика  Казахстан,  г.  Алматы

E-mail:  Usen88_88@  mail.ru

RESEARCHES  OF  TYPES  OF  INTERFACE  BYEFOV  WITH  THE  FAULTY  CURRENT  BEHIND  MULTIFLYING  LOCKS  REGULATORS

Shinibayev  Abay

professor,  the  Dr.  Sci.  Tech.,  Kazakh  National

technical  university  of  K.I.  Satpayev,  Republic  of  Kazakhstan,  Alma-Ata

Parmanov  Usen

the  teacher,  the  master  of  construction,  Kazakh  National  technical  university  of  K.I.  Satpayev ,  Republic  of  Kazakhstan,  Alma-Ata

АННОТАЦИЯ

В  статье  рассматривается  исследование  типов  сопряжения  бьефов  со  сбойным  течением  при  двухстороннем  сжатии  потока  в  плане.  Описывается  два  варианта  растекания  движения  потока  в  нижнем  бьефе,  т.  е.  одностороннее  расширение  в  плане  и  сбойное  течение,  незначи­тельно  отличающиеся  друг  от  друга  количеством  энергии  потока.  Приведены  экспериментальные  исследования  видов  сопряжения  в  нижнем  бьефе  со  сбойным  течением  за  многопролетными  регулирующими  сооружениями  с  безнапорными  трубами  и  горизонтальным  креплением.  Определены  взаимосвязь  увеличения  угла  сбоя  потока  с  увеличением  глубины  в  отводящем  русле. 

ABSTRACT

In  article  research  of  types  of  interface  вiеv  with  a  faulty  current  is  considered  at  bilateral  compression  of  a  stream  in  the  plan.  Two  options  of  a  spreading  of  driving  of  a  stream  in  bottom  вiеv  i.  e.  unilateral  expansion  in  the  plan  and  a  faulty  current  neznachiktelno  differing  from  each  other  are  described  by  quantity  of  energy  of  flow.  The  pilot  studies  of  types  of  interface  in  bottom  вiеv  with  a  faulty  current  behind  multiflying  regulating  constructions  with  free-flow  pipes  and  horizontal  fastening  are  given.  Are  defined  interrelation  of  increase  in  a  corner  of  failure  of  a  stream  with  increase  in  depth  in  a  taking-away  bed.

Ключевые  слова:   сооружения;  канал;  бьеф;  шлюз;  регулятор;  поток;  русло;  сопряжение;  гашение;  прыжок;  валец;  бурный  поток;  сбойное  течение;  угол  сбоя.

Keywords:   constructions;  channel;  вiеv;  lock;  regulator;  stream;  bed;  interface;  extinguishing;  jump;  roller;  rough  stream;  faulty  current;  failure  corner. 

Предварительная  проверка  работы  регулирующих  сооружений  с  переездом,  на  моделях,  описанных  нами,  показала  [3,  с.  41;  4,  с.  106—110],  что  при  пропусках  в  сухое  русло  и  увеличении  глубины  потока  в  нижнем  бьефе  от  нуля,  вначале  наблюдается  веерообразное  растекание  бурного  потока  с  образованием  косых  гидравлических  прыжков  за  участком  растекания.  Далее  рассмотрим  сбойное  течение  при  двухстороннем  сжатии  потока  в  плане.  Схема  участка  сопряжения  бьефов  со  сбойным  течением  показана  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Сбойное  течение  при  двухстороннем  сжатии  потока  в  плане

Дальнейшее  увеличение  глубины  в  нижнем  бьефе  приводит  к  образованию  прямого  гидравлического  прыжка  в  месте  схода  косых  прыжков,  который  по  мере  затопления  нижнего  бьефа  надвигается  на  сечение  с  наибольшей  шириной  растекания.  Валец  прямого  гидравлического  прыжка  в  таком  положении  криволинеен  в  плане.  Центральная  его  часть,  рас­полагается  нормально  к  оси  русла  и  на  удалении  от  центра  валец  искривляется  в  плане,  выдвигаясь  в  сторону  сооружения.  Это  объясняется  тем,  что  при  растекании  потока  линии  равных  глубин  представ­ляют  собой  плавные  кривые,  обращенные  выпуклостью  в  сторону  ниж­него  бьефа.

Сжатое  сечение  перед  прыжком  расположено  на  линии  равных  глубин,  поэтому  валец  прыжка  приблизительно  параллелен  последней.  Направление  движения  непосредственно  за  вальцом  прыжка  нормально  к  линии  вальца,  что  обуславливает  натекание  крайних  струек  на  боковые  откосы  и  образование  местных  возвышений  у  берегов  русла.  Участок  растекания  бурного  потока  в  плане  ограничен  с  боков  водоворотными  вальцами,  глубина  в  которых  приблизитель­но  равна  глубине  в  сжатом  сечении.

Еще  большее  увеличение  глубины  в  нижнем  бьефе  приводит  к  затоплению  прыжка.  В  начале  затопления  вода  прорывается  в  боковые  водоворотные  области  и  препятствует  расширению  потока,  выходящего  из  сооружения.  Обычно  одинаковое  затопление  боковых  водоворотных  валь­цов  встречается  редко.  Несимметричное  затопление  приводит  к  увели­чению  удельных  расходов  в  растекающемся  потоке  за  счет  односторон­него  натекания  из  отводящего  русла.  Ширина  бурного  потока  в  створе  наибольшего  растекания  при  затоплении  прыжка  уменьшается. 

Все  это  обеспечивает  отгон  на  небольшое  расстояние  прыжка,  уже  смещенного  к  тому  берегу,  у  которого  не  происходит  натекания  на  боковой  водоворотный  валец.

При  этом  образуется  прыжок  со  сбойным  течением,  т.  е.  прыжок,  «сбитый»  к  одному  из  берегов.  Динамическая  ось  потока,  искривленная  в  плане,  сохраняет  устойчивое  положение.  Дальнейшее  увеличение  глубины  в  нижнем  бьефе  приводит  к  затоплению  «сбитого»  прыжка  и  образованию  сбойного  течения.

Двухстороннее,  симметричное  затопление  прыжка  в  сечении  пол­ного  растекания  в  начальный  момент  приводит  к  блужданию  потока,  выходящего  из  сооружения,  в  плане,  подобно  тому,  как  иногда  в  на­чале  затопления  плоского  прыжка  струя  блуждает  в  вертикальной  плоскости. 

При  растекании  бурного  потока  глубина  в  боковых  водоворотных  вальцах  небольшая,  что  обуславливает  эффект  «падения»  потока,  выходящего  из  сооружения,  с  образованием  сжатой  глубины  за  счет  растекания  в  плане.  Это  объясняется  тем,  что  непосредственно  на  выход  в  широкий  нижний  бьеф  поток  стремится  заполнить  его,  вследствие  чего  происходит  непрерывное  уменьшение  глубины  потока  и  увеличение  его  ширины.  При  затоплении  прыжка  возможность  растекания  исключает­ся  из-за  увеличения  глубины  в  боковых  водоворотах.

Если  нет  условий  для  растекания  в  плане,  в  общем  случае  может  иметь  место  два  варианта  движения  в  нижнем  бьефе.

Первый  вариант  может  быть  представлен  следующей  картиной  движения.  Поток,  выходящий  из  трубы  сооружения,  должен  двигаться  прямо­линейно,  сопрягаясь  с  потоком  в  отводящем  канале  посредством  участка,  на  котором  происходит  рассеивание  избытка  кинетической  энергии  и  двухстороннее  расширение  в  плане.  Но  диссипация  энергии  не  может  происходить  без  перемешивания  потоков  на  участке  сопряжения.  Интенсивное  перемеши­вание  слоев  жидкости  в  гидравлическом  прыжке,  значительно  превы­шающее  интенсивность  перемешивания  в  турбулентном  потоке  до  прыжка  и  на  сравнительно  удаленном  участке  после  прыжка,  вызывает  «дробление»  крупных  вихрей  на  более  мелкие.

Появление  крупномасштабных  компонентов  турбулентности  —  результат  работы  по  преодолению  вязких  сил  Рейнольдсовых  напряжений,  порождаемых  самим  осредненным  потоком.

Когда  поток  выходит  из  сооружения  в  затопленный  нижний  бьеф,  нет  такого  мощного  стимулято­ра  диссипации  энергии,  обеспечивающего  распад  вихрей  на  коротком  участке  крепления,  как  гидравлический  прыжок.  Поэтому  длина  участка,  на  котором  рассеивается  избыток  кинетической  энергии  потока  при  расширении  потока  в  плане,  должна  быть  значительно  больше  длины  прыжка  послепрыжкового  участка.  Такое  движение  потока  в  нижнем  бьефе  должно  сопровождаться  рассеиванием  энергии  на  двух  его  боковых  границах,  где  происходит  взаимодействие  с  окружающей  жидкой  средой.

Очевидно,  нетрудно  представить  себе  такие  условия,  в  которых  рассеивание  энергии  потока  происходит  с  еще  меньшей  интенсивностью.  Например,  можно  продлить  одну  из  боковых  стенок  трубы  сооружения  в  нижний  бьеф  на  очень  большое  расстояние.  При  этом  будет  происходить  одностороннее  расширение  потока  в  плане,  т.  е.  будет  исключена  возможность  рассеивания  энергии  на  массообмен  с  окружающей  жидкостью  по  одной  из  боковых  границ  потока.  Потери  энергии  на  трение  о  твер­дую  поверхность  (поверхность  продленной  в  нижний  бьеф  боковой  стенки  трубы)  незначительны  по  сравнению  с  потерями  на  массообмен  (переме­шивание)  со  средой  окружающей  поток  жидкости. 

По  экспериментальным  данным  А.Г.  Соловьевой  [1,  с.  77—81],  коэффициент  сопротивления  на  границе  потока  с  окружающей  жидкой  средой  в  5+20  раз  больше  коэффициента  сопротивления  умеренно  шероховатой  твердой  поверхности.

Приблизительно  такая  же  картина  может  иметь  место  в  нижнем  бьефе  сооружения,  если  поток  отклонится  к  одному  из  берегов  и  будет  двигаться  вдоль  последнего. 

При  этом,  видимо,  потери  энергии  будут  минимальны,  и  длина  участка  сопряжения  (рассеивания  избытка  кинети­ческой  энергии  потока)  окажется  больше,  чем  при  сопряжении  гидравлическим  прыжком  или  участком  симметричного  расширения  в  отводящем  русле.  Такое  явление  в  нижнем  бьефе  сооружения  представляет  собой  второй  вариант  движения  потока,  названный  «сбойным  течением». 

Таким  образом,  двум  схемам  планового  сжатия  потока  сооружением,  одностороннему  и  двухстороннему,  соответствуют  две  формы  сопряжения  бьефов  —  одностороннее  расширение  в  плане  и  сбойное  течение,  незначи­тельно  отличающиеся  друг  от  друга  количеством  энергии  потока,  рас­сеиваемой  в  пределах  участка  сопряжения.

Образование  сбойного  течения  следует  рассматривать  как  естест­венный  выбор  потока  положения  устойчивого  равновесия  в  плане,  при  котором  он  движется  по  пути  наименьшего  сопротивления  с  минималь­ными  затратами  энергии.

Живое  сечение  затопленного  нижнего  бьефа  трехпролетного  сооружения  можно  разделить  по  ширине  русла  на  три  зоны.  Движение  потока  в  центральной  части  русла  соответствует  значительным  потерям  энергии  на  массообмен,  а  движение  в  двух  крайних  зонах  (вдоль  одного  из  берегов  русла)  сопровождается  минимальными  потерями  энергии.

Поэтому  небольшое  отклонение  потока,  выходящего  из  центральной  трубы  сооружения  от  оси  русла,  например  из-за  обтекания  вихревых  масс,  приведет  к  образованию  сбойного  течения.

Очевидно,  симметричное  растекание  потока  в  затопленном  нижнем  бьефе  не  является  устойчивой  формой  сопряжения  потоков.  Потере  устойчивости  потока  в  плане  будет  способствовать  ряд  факторов,  таких  как  увеличение  глубины  в  одном  из  боковых  водоворотных  валь­цов  в  начальный  момент  затопления  прыжка,  обтекание  крупных  вихреобразований,  влияние  эжекционных  сил,  возникающих  в  потоке,  и  то  обстоятельство,  что  такое  движение  не  соответствует  оптимальному  варианту  движении,  при  котором  теряется  минимум  энергии.

Влияние  разности  глубины  в  боковых  водоворотных  вальцах  на  образование  сбойного  течения  оказывается  в  основном  в  начальный  мо­мент  затопления  прыжка,  расположенного  в  сечении  наибольшего  растекания  бурного  потока.  Впоследствии  эта  разность  не  является  основным  фактором,  определяющим  наличие  сбойного  течения  в  нижнем  бьефе.  Если,  просверлив  дно  лотка,  соединить  трубами  области  боковых  вальцов  между  собой,  чтобы  глубина  в  них  установилась  одинаковая,  то  это  не  оказывает  влияния  на  такие  параметры  потока  со  сбойным  течением,  как  длина  вальцов,  степень  расширения  потока  вдоль  русла  и  распределение  удельных  расходов  по  сечению.  Выравнивание  глубин  водоворотных  вальцов  подводом  воды  извне  также  не  изменяет  сбойное  течение.

Согласно  опытам,  проведенным  на  модели  трехпролетного  сооружения  с  трапецеидальным  отводящим  руслом  [2,  с.  56—60],  при  работе  с  его  центральным  пролетом  переход  растекания  бурного  потока  в  сбойное  течение  при  всех  расходах  происходит  при  глубине  в  выходном  сечении  трубы,  равной  h₀=0,84  h_кр,  где  h_кр  —  критическая  глубина  в  трубе.  Результаты  этих  опытов  представлены  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  График  зависимости  :    —  глубина  в  выходном  сечении  в  начале  образования  сбойного  течения;    —  критическая  глубина  в  сооружении

Участок  сопряжения  бьефов  со  сбойным  течением  характеризуется  углом  сбоя  потока  в  плане  (или  длиной  малого  водоворотного  вальца)  и  длиной  большого  водоворотного  вальца  (рисунок  1).  Угол  сбоя  потока  можно  приблизительно  принять  равным  углу,  образованному  осью  русла  и  прямой,  соединяющей  точку  на  динамической  оси  потока  в  сечении  натекания  потока  на  берег  с  центром  потока  (в  плане)  в  выходном  сечении.  Длина  большого  водоворотного  вальца  равна  расстоянию  от  выходного  сечения  до  створа,  в  котором  поток  расширяется  на  всю  ширину  отводящего  русла.  Глубина  потока  в  нижнем  бьефе  сооружения  оказывает  значительное  влияние  на  угол  сбоя  потока. 

Опыты,  проведенные  на  модели  трехпролетного  сооружения,  при  работе  с  ее  центральным  пролетом  показывают,  что  угол  сбоя  потока,  с  изменением  глубины  в  отводящем  русле,  из­меняется  в  широких  пределах  [3,  с.  41]  .

Например,  при  h_нб/h_кр=0,785  угол  сбоя  равен  α=7+10⁰,  а  при  h_нб/h_кр=2,7  соответственно  α=25+27⁰,  где  h_кр  —  критическая  глубина  в  сооружении.

  При  значениях  угла  сбоя  α=7+10⁰  наблюдается  сбойное  течение  бурного  потока,  обладающего  очень  высокой  кинетичностью  на  большом  удалении  от  выходного  сечения  сооружения.  С  увеличением  глубины  воды  в  нижнем  бьефе,  поток  на  участке  сопряжения  все  больше  искривляется  в  плане.  При  α=25+27⁰  поток  спокоен,  неравномерность  распределения  скоростей  по  ширине  русла  слабо  выражена.

Угол  сбоя  потока  определяли  при  помощи  специального  устройства  типа  флюгера,  изготовленного  в  лаборатории.  Впоследствии  эти  данные  уточнялись  по  эпюрам  средних  по  глубине  скоростей,  построенным  для  участка  русла,  где  поток  набегает  на  боковой  откос.  Опыты  про­ведены  при  20  значениях  глубины  в  отводящем  русле  (на  расстоянии  2,5  м  от  выходного  сечения  модели  сооружения)  и  расходах,  пропускаемых  моделью  2,5  и  3,6  л/сек.  На  рисунке  3  показан  график  зависимости  Ctgd  =f(h_нб/h_кр),  построенный  по  опытным  данным. 

Явление  увеличения  угла  сбоя  потока  с  увеличением  глубины  в  отводящем  русле,  видимо,  имеет  определенную  связь  с  особенностями  формирования  русел  естественных  водотоков.  Известно,  что  глубина  потока  связана  с  уклоном  дна  русла,  который,  в  свою  очередь,  зависит  от  рельефа  местности.  Уменьшение  уклона  дна  на  отдельных  участках  естественных  русел  сопровождается  увеличением  глубины  воды,  что  в  совокупности  располагает  поток  к  блужданию  в  плане,  т.  е.  изменению  угла  сбоя  потока.

Рисунок  3.  График  зависимости  котангенса  угла  сбоя  потока  от  относительной  глубины  в  нижнем  бьефе

Выводы

1.  При  двухстороннем  сжатии  потока  соответствуют  две  формы  сопряжения  бьефов,  одностороннее  расширение  в  плане  и  сбойное  течение  в  пределах  участка  сопряжения.

2.  Получен  график  зависимости  отношения  глубины  выходного  сечения  к  критической  глубине  от  расхода  потока,  определяющее  изменение  глубины  выходного  сечения  от  расхода  потока  (при  значениях  угла  сбоя  α=7+10⁰  наблюдается  сбойное  течение  бурного  потока,  а  при  α=25+27⁰  поток  спокоен,  неравномерность  распределения  скоростей  по  ширине  русла  слабо  выражена). 

3.  Получен  график  зависимости  котангенса  угла  сбоя  потока  от  относительной  глубины  в  нижнем  бьефе,  который  определяет,  что  с  увеличением  глубины  русла  уменьшается  угол  сбоя  потока.

Список  литературы:

1.Соловьева  А.Г.  Экспериментальное  исследование  планового  расширения  потока  при  наличии  водоворотных  зон  //  Известия  ВНИИГ.  —  1975.  —  Т.  46.  —  С.  77—81. 

2.Шинибаев  А.Д.,  Касымбеков  Ж.К.  Изучение  размеров  воронки  размыва  за  многопролетными  шлюзом-регулятором  в  зависимости  от  состояния  потока  //  Materialy  V  Miedzynarodowej  naukowj  konfereneji  «Wschodnia  spolka  —  2009»,Volume  9.  Techniczne  nauki.  Пшемысль  (Польша),  Nauka  i  studia,  2009.  —  С.  56—60. 

3.Шинибаев  А.Д.  Исследование  и  предотвращение  местного  размыва  на  открытых  водорегулирующих  сооружениях  системы  водоснабжения:  Автореф.  …  д-ра  техн.  наук.  Алматы.,  2010.  —  41  с.

4.Шинибаев  А.Д.,  Алиев  Б.З.  Исследования  форм  сопряжения  бьефов  со  сбойным  течением  за  регулирующими  сооружениями  //  Вестник  КазНТУ.  —  2009.  —  №  7.  —  С.  106—110.