5.3. Испытание различных типов гасителей энергии потока
Цель работы. Исследовать влияние различных типов гасителей энергии потока в нижнем бьефе низконапорной лесосплавной плотины.
Общие сведения. Водный поток, сбрасываемый в нижний бьеф лесосплавной плотины, обладает значительной кинетической энергией. Скорость потока в нижнем бьефе низконапорной плотины возрастает до 5…6 м/с и более.
Изменение конструкции нижнего бьефа даже в незначительной степени может привести к существенным деформациям потока в пространстве, появлению сбойных течений, водоворотов, концентрации удельных расходов, обуславливающих возникновение недопустимых гидродинамических нагрузок на флютбет плотины и его размыву. Условия работы устройств нижнего бьефа осложняются изменением режимов сопряжения бьефов и особенно при маневрировании затворами водосбросного сооружения. Известно, что чем меньше число пролетов на водосбросе, тем более тяжелые, в отношении нагрузок и местных размывов, режимы возникают при маневрировании затворами.
Самым эффективным средством гашения кинетической энергии при донном режиме потока в нижнем бьефе плотины является создание затопленного гидравлического прыжка, в котором гасится до 65% кинетической энергии потока. Если глубина нижнего бьефа недостаточна для затопления прыжка, то ее увеличивают с помощью строительства водобойного колодца или водобойной стенки. Гашение кинетической энергии происходит и в пределах рисбермы, которая защищает флютбет плотины от размыва. Кроме того, в нижнем бьефе гидротехнических сооружений устанавливают на водобое специальные гасители избыточной энергии и растекатели потока: гасители Кумина, шашки в шахматном порядке, зубчатые пороги, гасители МГМИ.
Водобойный колодец представляет собой заглубленный водобой, образующий успокоительный бассейн (рис.5.8,а) с глубиной, достаточной для затопления гидравлического прыжка. Необходимую глубину воды в колодце определяют по формуле
t=d+hн+Δz=n h'' |
, |
(5.23) |
c |
|
|
где d - глубина колодца, м;
hн - глубина воды в нижнем бьефе при расчетном удельном расходе q, м;
n - коэффициент, n=1,05…1,10;
hc'' - вторая сопряженная глубина прыжка, вычисленная с допущением, что То≈Но, м.
123
Перепад z на выходе потока из водобойного колодца в нижний бьеф плотины определяется по формуле
z q2 / 2g 2h |
q2 / 2gt2 . |
(5.24) |
н |
|
|
Рис.5.8. Способы затопления прыжка: а – водобойный колодец; б – водобойная стенка
Следовательно, глубина водобойного колодца |
|
α=n h'' -hн- Δz . |
(5.25) |
c |
|
Длину водобойного колодца, равную сумме дальности полета струи и длины незатопленного прыжка, в низконапорных потоках определяют по эмпирической формуле А.Ф.Дмитриева:
lк=6 h'' . |
(5.26) |
c |
|
Затопление гидравлического прыжка возможно строительством на |
|
водобое подпорной водобойной стенки (рис. 5.8,б). Высоту стенки находят по формуле
d=n h'' -Н, (5.27) |
Н=(Q/ζnm1в |
|
)2/3, |
(5.28) |
|
2g |
|||||
c |
|
|
|
|
|
где Н – статический напор над водобойной стенкой, м: |
|
||||
Н=(Q/ζnm1в |
|
)2/3, |
(5.29) |
||
2g |
|||||
Q – расчетный расход воды через водобойную стенку, м3/с; ζn – коэффициент подтопления стенки;
m1 – коэффициент расхода водослива с учетом бокового сжатия; m1=0,42…0,44;
в – ширина водобойной стенки, м.
Устройство водобойной стенки конструктивно проще, но при необходимости пропуска через водосбросное отверстие лесоматериалов по условиям эксплуатации предпочтительнее водобойный колодец. Иногда устраивают комбинированный вариант водобойного колодца и подпорной водобойной стенки.
Специальные гасители (растекатели, расщепители, шашки, пирсы, зубья) устраивают обычно в пределах водобоя в виде преград или выступов различной формы и размеров (рис. 5.9). Поток, обтекая эти преграды, расщепляется на отдельные струи, которые могут соударяться, при этом кинетическая энергия потока будет снижаться.
124
Рис. 5.9. Схемы размещения гасительной энергии:
а – растекатели; б – расщепители; в – шашки, пирсы; г – зубья.
Методика моделирования
В условиях сброса потока через водослив лесосплавной плотины и сопряжения бьефов при неразмываемом русле и установившемся режиме движения, определяющими являются гравитационные силы тяжести. Силы вязкости при этом имеют меньшее значение. Основным критерием подобия натурных и модельных условий в рассматриваемой задаче является число Фруда:
Fr 2 / gR, |
(5.30) |
или |
Fr 2 / gh, |
(5.31) |
где υ - средняя скорость потока, м/с;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
R - гидравлический радиус живого сечения, м; h - глубина потока при широких руслах, м.
При моделировании гидравлических явлений по числу Фруда пересчитывают данные с модели на натуру по зависимостям (4.10), (5.16), (5.17).
Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка состоит из большого гидравлического лотка, модели лесосплавной плотины, моделей водобойной стенки и специальных гасителей, измерительных приборов (секундомеров, мерных линеек, тастеров, поверхностных поплавков), сухих древесных опилок, моделей сплавляемых лесоматериалов. Гидравлическая схема большого гидравлического лотка приведена на рис. 2.1.
Модель лесосплавной плотины выполнена из древесины и устанавливается на расстоянии 1,5 м от головы гидравлического лотка
125
(рис. 5.10). Модель плотины состоит из следующих элементов: ряжевых устоев 1, флютбета плотины 2, русловой опоры в виде ряжевого бычка 3, промежуточных съемных стоек 4, порога плотины 5 (нижний распределительный брус), верхнего распределительного бруса 6, щитов скользящего типа 7. Полная ширина водосливного отверстия плотины 0,7 м, которое разделено ряжевым бычком на два пролета шириной 0,35 м каждый. Высота плотины 0,35 м.
Рис. 5.10. Модель лесосплавной плотины с гасителями
Питание гидравлического лотка водой производится из напорного бака при работе одного или двух насосов. В конце лотка имеется затвор 12, которым регулируется бытовая глубина воды в нижнем бьефе плотины.
Для измерения глубины потока и контроля ее стабильности во время опыта служит тастер 13, установленный в конце лотка. Для съемки продольного профиля потока и поперечников предназначен тастер 10, установленный на подвижной раме 11.
Измерение скоростей течения потока производится с помощью поверхностных поплавков.
Порядок проведения работы
1.В гидравлическом лотке установить модель лесосплавной плотины в масштабе λ= 40 (рис. 5.10).
2.Определить мерной линейкой и занести в табл. 5.7 геометриче-
ские размеры: 1) лесосплавной плотины: ширину отверстий в1 и в2, полную ширину водопропускного отверстия плотины в, высоту порога Р,
высоту щитов hщ, длину понура lп, водобоя lв; 2) сплавляемых грузов бревен: длину lб, диаметр dб, осадку tб; пучков: длину Lп, ширину Вп,
осадку Тп; плотов: длину Lпл, ширину Впл, осадку Тпл.
126
Таблица 5.7
Геометрические размеры плотины, бревен, пучков, плотов
|
|
|
|
Плотина |
|
|
Бревна |
Пучки |
Плоты |
|
|||||||
λ=40 |
в1, |
в2, |
в, |
Р, |
hщ, |
lп, |
lв, |
lс, |
dб, |
lб, |
tб, |
Lп, |
Вп, |
Тп, |
Lпл, |
Впл, |
Тпл, |
|
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
м |
Мо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дель |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нату |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пересчитать данные замеров на натуру.
3. В гидравлическом лотке установить максимальный расход воды весеннего половодья Q5%max через водослив лесосплавной плотины при полностью снятых щитах и определить основные гидравлические пара метры потока: глубины h, скорости υ, напор Н.
3.1.По водомерному стеклу (рис. 2.1) измерить напор воды на мер-
ном водосливе Не и определить по тарировочной кривой расход воды через плотину Qmax.
3.2.Измерить передвижным тастером уровни воды в верхнем бьефе
УВБ, на водосливе ВС и в нижнем бьефе плотины УНБ (табл. 5.8)
атакже уровни воды гидравлического прыжка.
Таблица 5.8
Регистрация опытных данных
|
Наименование |
|
|
Опыты |
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
4 |
5 |
|
|
|
|
|||||
1. |
Напор воды на мерном водосливе Не, м |
|
|
|
|
|
|
2. Отметка дна лотка Д, м |
|
|
|
|
|
|
|
3. |
Отметка порога плотины Пор, м |
|
|
|
|
|
|
4. |
Уровень воды в верхнем бь ефе УВБ, м |
|
|
|
|
|
|
5. |
Уровень воды на водосливе ВС, м |
|
|
|
|
|
|
6. |
Уровень воды в нижнем бь ефе УНБ, м |
|
|
|
|
|
|
7. |
Уровень воды перед прыжком П1, м |
|
|
|
|
|
|
8. |
Уровень воды за прыжком П2, м |
|
|
|
|
|
|
9. |
Длины прыжка lп, м |
|
|
|
|
|
|
3.3.Составить расчетную схему сопряжения бьефов на водосливе с широким порогом (см. рис. 5.5).
3.4.Определить глубину воды hп, статический Н и полный Но напоры на пороге плотины, среднюю скорость υо на подходе к водосливу. Результаты занести в табл. 5.10.
3.5.Установить характер сопряжения бьефов на водосливе:
если hп<0,8Но, то водослив с широким порогом считается неподтопленным; если hп≥0,8Но то водослив подтоплен.
127
3.6.Вычислить расход воды через водослив плотины по формуле (5.10.) скорости потока в нижнем бьефе плотины до и после гасителей энергии потока.
3.7.В нижнем бьефе плотины измерить скорость потока поверхностными поплавками. Данные занести в табл. 5.9.
Сравнить скорости потока в нижнем бьефе плотины до и после установки гасителей энергии потока.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.9 |
||
|
|
|
|
Скорость потока в нижнем бьефе плотины |
|
|
|
|||||||||||||
|
Расст. |
|
|
|
|
|
Опыт 1 |
|
|
|
|
|
Опыт 2 |
|
|
|
||||
Рас- |
от |
|
|
|
|
|
|
ско- |
глуби- |
|
|
|
|
ско- |
|
глуби- |
||||
четные |
пост. |
|
время, с |
|
|
рость, |
время, с |
|
рость, |
|
||||||||||
|
|
|
на, м |
|
|
на, м |
||||||||||||||
створы |
начала |
|
|
|
|
|
|
м/с |
|
|
|
|
м/с |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
S, м |
t1 |
t2 |
t3 |
|
tср |
|
υм |
υн |
hм |
hн |
t1 |
t2 |
t3 |
tср |
υм |
υн |
hм |
hн |
|
С0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.8.Организовать плотовой лесосплав через водопропускное отверстие плотины.
3.9.Изучить характер растекания потока в нижнем бьефе плотины с помощью сухих древесных опилок и зарисовать план течений (см. рис.
5.10).
3.10.В нижнем бьефе плотины установить водобойную стенку так, чтобы возник затопленный гидравлический прыжок. Измерить опти-
мальные размеры водобойной стенки; расстояние от водослива lк и высоту d. Измерить передвижным тастером уровни воды на водосливе
ВС, в нижнем бьефе плотины УНБ, а также до П1 и после П2 гидравлического прыжка (см. табл. 5.8). Изучить характер растекания потока за плотиной с помощью сухих древесных опилок и зарисовать план течений (см. рис. 5.10). Организовать плотовой лесосплав через водопропускное отверстие плотины.
3.11.Установить в нижнем бьефе плотины различные типы гасителей энергии потока (см. рис.5.9) и измерить уровни воды и скорости потока, зарисовать план течений и организовать плотовой лесосплав.
4. В гидравлическом лотке установить эксплуатационный расход
воды Qзар≥Qспл через водослив лесосплавной плотины и изучить работу нижнего бьефа в условиях маневрирования затворами.
128
4.1.Водосливное отверстие плотины полностью закрыто, напор на
роге Н=3 м, перелив Qзар через щиты. Измерить уровни воды (см. табл. 5.8) и скорости потока (см. табл. 5.9) в нижнем бьефе плотины и после установки гасителей, зарисовать план течений (см. рис. 5.8).
4.2.Водосливное отверстие плотины закрыто не полностью; напор
на пороге Н=3 м; перелив Qзар через щиты, которые открыты через один по водосливному фронту. Измерить уровни воды (см. табл. 5.8) и скорости потока (см. табл. 5.9) в нижнем бьефе плотины до и после установки гасителей, зарисовать план течений (см. рис. 5.8).
4.3.Водосливное отверстие плотины закрыто неполностью, напор
на пороге Н=3 м, перелив Qзар через лесопропускное отверстие плотины. Измерить уровни воды (см. табл. 5.8) и скорости потока (см. табл. 5.9) в нижнем бьефе плотины до и после установки гасителей, зарисовать план течений (см. рис. 5.10), организовать первоначальный лесосплав через лесопропускное отверстие.
Обработка экспериментальных данных
1. Пересчет опытных данных на натуру (см. табл. 5.7, 5.9) производится по зависимостям (4.10).
2. Глубина воды и статический напор hп, Н на пороге плотины (табл. 5.10) рассчитываются по выражениям (5.19), (5.20).
3. Средняя скорость потока υо на подходе к водосливу вычисляется по формуле (5.12). Если υо<0,5 м/с или площадь сечения потока перед
водосливом Ω<4вН, то скоростной напор o2 / 2g ≈0 можно не учитывать, принимая Но≈Н.
4.Полный напор на пороге плотины устанавливается по зависимо-
сти (5.11).
5.Расход воды на водосливе с широким порогом (см. табл. 5.10), если водослив неподтоплен, вычисляется по формуле
|
|
Qmax5% m1в |
|
Ho3 / 2 , |
|
|
|
(5.32) |
|
|
|
2g |
|
|
|
||||
если водослив подтоплен – по формуле (5.22). |
|
|
|||||||
Сравнивается вычисленный расход воды на водосливе с экспери- |
|||||||||
ментальным. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Сопряженные глубины (см. рис. 5.8,б) гидравлического прыжка |
|||||||||
определяются из выражений |
|
|
|
|
|
||||
h`= П1- Д, (5.33) |
|
h``= П2- Д, |
|
(5.34) |
|||||
или по теоретическим зависимостям |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h' h' ' / 2 |
1 8 h |
/ h' ' 3 |
1 , (5.35) |
h' ' h' / |
2 |
1 8 h / h' 3 |
1 , |
(5.36) |
|
|
к |
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где критическая глубина и глубина в сжатом сечении потока
129
|
3 Q5% |
/ gВ2 , |
(4.37) |
|
h |
|
|
|
/ , |
(5.38) |
h |
h |
h |
/ 2Т |
о |
||||||
кр |
max |
|
|
c |
кр |
кр |
|
|
|
где В - ширина потока в нижнем бьефе плотины, м; α - корректив кинетической энергии потока, α=1,0…1,1; g - ускорение свободного падения, м/с2;
φ – коэффициент скорости, φ=0,8…0,9.
Полная удельная энергия потока в верхнем бьефе
То=Но+Р, (5.39)
где Но – полный напор на пороге плотины, м; Р - высота порога водослива, м.
7.Высота водобойной стенки d рассчитывается по формуле (5.25).
8.Результаты гидравлических расчетов записываются в табл. 5.10.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.10 |
||
|
|
Обработка опытных данных |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Наименование |
|
|
Опыты |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1. |
Расход воды через плотину Q`, м3/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
Глубина воды на водосливе hп, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
Статический напор на водосливе Н, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
Полный напор на водосливе Но, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
Средняя скорость подхода к ВС υо, м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
Полный перепад воды на ВС Zо, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. |
Расход воды на водосливе Q, м3/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8. |
Глубина перед прыжком h`, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9. |
Глубина за прыжком h``, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10. |
Критическая глубина потока hкр, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11. |
Глубина в сжатом сечении hс, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12. |
Полная удельная энергия ВБ То, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13. |
Вычота водобойной стенки d, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14. |
Длина колодца lк, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9.Строятся графики зависимости глубины и скорости потока в нижнем бьефе от типа гасителей энергии потока (рис. 5.11).
10.Сравниваются условия лесосплава до и после установки гасителей энергии потока в нижнем бьефе плотины.
Сделать выводы по лабораторной работе.
Контрольные вопросы:
1.Какими негативными свойствами обладает водный поток, сбрасываемый в нижний бьеф лесосплавной плотины?
2.Какие существуют эффективные средства гашения энергии потока?
3.Какие специальные гасители устанавливают на водобое плотины?
4.Каково устройство водобойного колодца?
130
5. Как определить гидравлические параметры потока в водобойном колодце?
h, υ
С
Рис. 5.11. Графики зависимости глубины и скорости потока от типа гасителей энергии потока
6.Как определить геометрические параметры водобойной стенки?
7.Как моделировать расход потока через водослив лесосплавной плотины?
8.Как пересчитать данные с модели на натуру при моделировании гидравлических явлений по критерию Фруда?
9.Из чего состоит экспериментальная установка?
10.Каково устройство модели лесосплавной плотины?
11.Какова гидравлическая схема экспериментальной установки?
12.Каков порядок проведения лабораторной работы?
13.Какие геометрические параметры необходимо измерить у моделей лесосплавной плотины, сплавляемых лесоматериалов (бревен, пучков, плотов)?
14.На пропуск каких расходов проверяется водосливное отверстие плотины?
15.Как определяется экспериментальный расход воды через водослив плотины?
16.Как определить глубину воды, статический и полный напоры на пороге плотины?
17.Как найти среднюю скорость потока на подходе к водосливу?
18.Как измерить или вычислить параметры гидравлического прыжка?
19.Как установить водобойную стенку, чтобы возник затопленный гидравлический прыжок?
20.Какова эффективность установки в нижнем бьефе специальных гасителей энергии потока?
131