Сопряжение бьефов и гашение энергии потока

СОПРЯЖЕНИЕ БЬЕФОВ И ГАШЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПОТОКА

Общие сведения

Рис. 1 - Сопряжение бьефов в форме отогнанного прыжка

В верхнем бьефе поток имеет большую потенциальную энергию. Полная удельная потенциальная энергия в верхнем бье­фе равна (относительно плоскости сравнения О - О):

Е = Р_ВБ + Н₀

Зна­чительная часть потенциальной энергии потока в нижнем бьефе пере­ходит в кинетическую, поэтому скорости в нижнем бьефе за сооруже­нием резко увеличиваются, чем обусловлено сооружение мощных креп­лений дна потока.

Поэтому основная задача сопряжения бьефов состо­ит в том, чтобы преобразовать избыточную кинетическую энергию в по­тенциальную. Это достигается различными способами в зависимости от форм сопряжения бьефов.

Формы и критерии сопряжения бьефов

В зависимости от типа гид­ротехнического сооружения, создающего подпор, различают следующие основные виды истечений:

- через водослив (плотину);

- из-под зат­вора;

- через донные отверстия.

В зависимости от распределения скоростей в потоке по вертикали различают две группы сопряжения бьефов:

- сопряжение, при котором в нижнем бьефе за сооружением наблюдаются наибольшие скорости у дна, называемое донным режимом сопряжения;

- сопряжение, при ко­тором в нижнем бьефе за сооружением наблюдаются наибольшие ско­рости у поверхности потока, называемое поверхностным режимом сопряжения (при наличии в нижнем бьефе сооружения вертикального уступа).

Последующее изложение будет относиться к донному режиму сопряжения.

Формы сопряжения бьефов зависят от того, в каком естественном (бытовом) состоянии находится поток - спокойном или бурном.

В дальнейшем будем рассматривать случаи, когда поток в отводящем русле находится в спокойном состоянии.

Критерием формы со­пряжения является соотношение между глубиной потока в нижнем бьефе и второй сопряженной глубиной гидравлического прыжка h″_c.

В нижнем бьефе могут быть различные виды сопряжения в зависи­мости от типа гидравлического прыжка за сооружением:

1. В форме отогнанного прыжка

В этом случае h″_c > h_н

где h_н - глубина в нижнем бьефе в естественном состоянии.

Проиллюстрируем эту форму сопряжения на примере перелива жидкости через криволи­нейный водослив (плотину) практического профиля (рис. 1).

Непо­средственно за водосливом образуется сжатое сечение С - С с глуби­ной h_с < h _НБ.

Между этим сечением и сечением с глубиной h₁ (первая сопряженная глубина прыжка) имеем кривую подпора.

Длина L пред­ставляет собой длину отгона прыжка.

Рассчитанная вторая сопряжен­ная глубина прыжка в этом случае больше глубины h_НБ.

Рис. 1 - Сопряжение бьефов в форме отогнанного прыжка

Возможен и другой способ определения формы сопряжения бьефов.

Принимаем, что h_НБ = h″_c

Затем вычисляем h′ по уравнению прыжка и сравниваем с глубиной h_с.

Если h′ > h_с - прыжок отогнанный.

Если h′ < h_с - пры­жок затопленный.

2. В форме затопленного прыжка.

В этом случае h″_c < h_НБ

3. Критическая форма сопряжения.

В этом случае h″_c = h_НБ

Данная форма сопряжения яв­ляется промежуточной (граничной) между первой и второй формами сопряжения.

Типы сопрягающих сооружений

Сопрягающие сооружения пред­назначены для гашения энергии потока, поэтому их можно назвать га­сителями энергии.

К ним относятся:

- водобойный колодец;

- водобойная стенка;

- комбинированный водобойный колодец;

- специальные гасите­ли энергии (препятствия, деформирующие поток, способствующие дис­сипации энергии).

К сопрягающим сооружениям относят и сооружения, обеспечиваю­щие сопряжение потоков при резком изменении отметок поверхности земли.

Такими наиболее типичными сооружениями являются:

- перепа­ды;

- быстротоки;

- консольные перепады.

Классическими типами сопря­гающих сооружений считают водобойные колодцы, перепады и быстро­токи.

Гидравлический расчет водобойных колодцев

Водонепроницаемое покрытие дна в верхнем бьефе, которое при­мыкает к телу водоподпорного сооружения и служит для удлинения пу­тей фильтрации и крепления дна, называют понуром. Массивную пли­ту, воспринимающую основное динамическое воздействие потока воды, сбрасываемого из верхнего бьефа в нижний и защищающую русло во­дотока и грунта основания сооружения от размыва, называют водо­боем.

Укрепленный участок русла водотока, расположенный за во­добоем, представляет собой рисберму.

Водобойный колодец - это углубление в водобое, ус­траиваемое с целью гашения кинетической энергии потока в нижнем бьефе.

При h″_c > h_НБ переход бурного потока в спокойное состояние про­исходит в нижнем бьефе в виде отогнанного гидравлического прыжка (см. рис.1), что, как правило, недопустимо или требует усиление водобоя.

Гашение энергии потока достигается путем перевода отогнан­ного прыжка в затопленный.

На рис.2 показан перелив воды через криволинейный безвакуумный водослив и движение воды в нижнем бьефе в предположении, что водобойный колодец выполнил свою функ­цию.

Рис. 2 - Сопряжение бьефов в виде затопленного гидравлического прыжка при наличии водобойного колодца

Требуется рассчитать глубину d_кол и длину L_кол водобойного колодца.

В данном случае колодец образован понижением отметки водо­боя на длине L_кол. При этом образуется вертикальный водобойный ус­туп высотой d_кол.

Будем рассматривать плоскую задачу: ширина потока в нижнем бьефе прямоугольная и одинаковая по длине потока.

Расход воды, ши­рина потока в верхнем бьефе и длина водослива по его гребню извест­ны.

Рекомендуется следующая методика гидравлического расчета водо­бойного колодца:

1. Определение напора над водосливом.

Воспользуемся формулой расхода жидкости через водослив практического профиля криволинейного очертания:

Так как вопрос о расчёте колодца возникает толь­ко при условии, что водослив неподтопленный, то

σ_п = 1,0

Выражая напор, получим:

2. Определение сжатой глубины воды в нижнем бьефе при отсутст­вии водобойного колодца (рис. 1)

Такой расчет необходим, так как сопряжение при затопленном гидравлическом прыжке возможно и при отсутствии водобойного колодца.

Запишем уравнение Бернулли для сечения потока перед водосли­вом и для сжатого сечения в нижнем бьефе относительно плоскости О - О:

где V_с - средняя скорость потока в сжатом сечении.

Рис. 2 - Сопряжение бьефов в форме затопленного прыжка при наличии во­добойного колодца

Решая это уравнение относительно V_с с учетом ранее принятых обо­значений полного напора и коэффициента скорости, получим:

Так как Q = b·h_c ·V_c, то

Глубина h_с находится способом последовательных приближений.

Чтобы найти ориентировочное значение h_с, в первом приближении можно под корнем принять h_с = 0.

3. Определение второй сопряженной глубины прыжка

Принимаем глубину перед прыжком равной h_с и по формуле находим h″_c:

4. Определение естественной глубины воды в нижнем бьефе h_НБ (см. рис. 1 и 2)

Считая движение воды равномерным, h_НБ находят так же, как при решении задачи по расчету каналов (при выполнении условий схемы равномерного движения жидкости).

Если h″_c > h_НБ, то необходимо запроектировать водобойный колодец, глу­бина которого задается.

5. Определение сжатой глубины воды в нижнем бьефе при наличии водобойного колодца

Задачу решают аналогично материалу, изложенному в п. 2 с той разницей, что уравнение Бернулли записывают относительно пло­скости сравнения О' - О' (см. рис. 2).

В результате получим урав­нение для расхода воды:

Глубину h_c.кол находят способом последовательных приближений при заданном d_кол, например 0,5 м и более.

6. Определение второй сопряженной глубины гидравлического прыжка при наличии водобойного колодца

Принимаем h_c.кол и находим h^//_c.кол

Необ­ходимо, чтобы эта глубина h ^//_c.кол была меньше глубины воды в колодце h_кол.

7. Определение глубины воды в водобойном колодце h_КОЛ

Из рис. 2 видно, что:

h_кол = h_НБ + d_кол + ∆z,

где ∆z - перепад, образующий­ся перед уступом водобойного колодца.

Данный перепад определяют исходя из того, что выходная часть водобойного колодца работает как подтопленный водослив с широким порогом.

Расход воды для условий плоской задачи можно записать:

или

,

Откуда

,

где V_о.кол - средняя скорость потока в водобойном колодце.

Перепад ∆z подсчитывают способом последовательных приближений.

8. Определение глубины водобойного колодца

Чтобы получить со­пряжение бьефов в форме затопленного гидравлического прыжка, не­обходимо соблюдать условие:

h_кол > h ^//_c.кол

или

h_кол = σ·h ^//_c.кол ,

где σ - коэф­фициент запаса, больший единицы.

С учетом выражения для глубины воды в колодце получим:

σ·h ^//_c.кол = h_НБ + d_кол + ∆z,

откуда

d_кол = σ·h ^//_c.кол - (h_НБ + ∆z)

Глубину колодца определяют путем последовательного приближе­ния.

Это объясняется тем, что при новой принятой глубине (чтобы обес­печить условие h_кол > h ^//_c.кол) изменяются h_c.кол; h ^//_c.кол ; h_кол.

Значение коэф­фициента запаса можно принять в зависимости от точности определе­ния расчетного расхода воды:

∆Q, %... 5 10 20

σ...... 1,07 1,1 1,13

9. Определение длины водобойного колодца

В общем случае эта длина равна:

L_кол = L_пад + L_пп

где L_пад - длина падения струи [в данном случае она равна нулю так как подошва водослива криволинейного очертания расположена на той же отметке, что и дно водобойного колодца (см. рис. 2)];

L_пп - длина подтопленного прыжка при наличии колодца, которая может быть определена по формуле О. М. Айвазяна и В.А. Питулова:

Длину совершенного прыжка L_п вычисляют по формуле:

Или приближённо:

При определении L_п и (h^// - h^/) за первую сопряженную глубину h^/ принимают сжатую глубину на дне водобойного колодца h_c.кол.

Дата добавления: 2015-11-04