Применение гасителей при донном режиме сопряжения

Гашение основной части избыточной кинетической энергии (в гидравлическом прыжке) происходит в пределах водобоя. Динамическое воздействие потока на дно водобоя довольно велико, и поэтому толщина плиты водобоя назначается весьма большой. На водобое также может происходить некоторое перераспределение скоростей и удельных расходов, особенно если на водобое установлены специальные гасители-растекатели.

В пределах рисбермы (рис. 5), располагающейся непосредственно за водобоем ниже по течению, происходит дополнительное гашение избыточной энергии, перераспределение скоростей по вертикали и по ширине. К концу рисбермы поток должен приходить с достаточно равномерным распределением удельных расходов по ширине и с характеристиками осредненных местных скоростей и пульсационными кинематическими характеристиками, близкими к таковым в бытовых условиях.

Из многочисленных типов гасителей энергии в нижнем бьефе гидротехнических сооружений (рис. 4) наиболее часто применяются следующие:

1) рассмотренная ранее сплошная водобойная стенка, устанавливаемая от сжатого сечения на расстоянии (рис. 4, а);

водобойное сооружение колодец гидравлический.

2) водобойная стенка с прорезями (прорезная водобойная стенка), устанавливаемая на том же расстоянии от сжатого сечения (рис. 4, б);

• 3) гаситель-растекатель, предложенный Д. И. Куминым, устанавливаемый на расстоянии от сжатого сечения (рис. 4, в);
• 4) гаситель в виде сочетания трапецеидальных пирсов и нижерасположенной водобойной стенки (рис. 4, г);
• 5) шашечные гасители и гасители-пирсы (рис. 4, д-ж) (шашка-гаситель, высота которого меньше его ширины или длины; пирс-гаситель с высотой, большей ширины или длины).

Высоту и ширину гасителя, расстояние первого ряда гасителей и последующих рядов (если они имеются) от сжатого сечения, взаимное расположение гасителей (расстояние между гасителями поперек потока и вдоль него), углы наклона верховой, низовой и боковых граней гасителей принимают на основании экспериментальных исследований конкретных гасителей применительно к рассматриваемым случаям или по аналогам.

Гасители подпирают поток на водобое, вследствие чего затопление прыжка происходит при меньших глубинах, чем в отсутствие гасителей. Это уменьшение глубины может доходить до 25%. В связи с этим поверхность водобоя может быть заглублена меньше, чем при отсутствии гасителей.

Для оценки эффективности гасителей применяется несколько критериев. Чаще используется критерий размывающей способности потока за гасителями, и лучшими считаются гасители, дающие меньшие размеры ямы размыва.

Используется также критерий уменьшения второй сопряженной глубины при наличии гасителя по сравнению с при отсутствии гасителя.

Гасители оказывают существенное влияние на потери энергии. Благодаря гасителям в потоке создаются дополнительные водоворотные области и поверхности (зоны) раздела с большими градиентами скоростей и интенсивным турбулентным перемешиванием. Увеличение касательных напряжений приводит к более интенсивной диссипации энергии. Особенно заметен указанный эффект при установке прорезных гасителей, шашек, пирсов и т. п., так как поток расщепляется на большое количество отдельных струй, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их частью движущейся жидкости.

Прорезные гасители (особенно шашки) способствуют трансформации низкочастотных крупномасштабных пульсаций за гасителями в менее опасные для крепления высокочастотные мелкомасштабные пульсации.

Гасители также перераспределяют скорости по вертикали, отклоняя значительную часть транзитной струи вверх, к свободной поверхности. В результате донные скорости за гасителем уменьшаются.

Приведенные выше виды воздействия гасителей на поток по Д. И. Кумину определяются как реактивное, диссипирующее и распределительное.

Гасители-расщепители способствуют расщеплению, разделению потока на отдельные струи.

Гасители-растекатели устанавливаются чаще в начале водобоя под определенными углами в плане к направлению течения, которые, как правило, не превышают 15°. Соответствующим размещением растекателей можно уменьшить неравномерность распределения удельных расходов по ширине, улучшить условия растекания, т. е. не допускать сбойного течения и образования водоворотных областей с вертикальной осью.

Гасители энергии подвержены силовому воздействию набегающего на них потока, которое в общем случае представлено шестью составляющими: силами и моментами относительно соответствующих осей. При расчете напряженного состояния гасителя необходимо учитывать все действующие составляющие.

При определенных условиях обтекания одна из поперечных составляющих сил (или) может быть равна нулю. При гидравлическом расчете интерес представляет горизонтальная сила лобового сопротивления, численно равная горизонтальной проекции реакции гасителя. Сила, как известно, равна.

(21).

где — коэффициент лобового сопротивления гасителя; - плотность жидкости; - площадь проекции гасителя на плоскость, перпендикулярную оси, т. е. это; - скорость потока, набегающего на гаситель.

Точнее скорость должна определяться по эпюре скорости на подходе к гасителю на ее участке от дна до верха гасителя. Иногда за скорость принимают скорость над гасителем. Определение для различных условий и различных гасителей сложно и трудоемко. Часто за характерную скорость набегающего потока принимают среднюю скорость в сжатом сечении, поскольку она имеет определенный физический смысл и может быть легко вычислена.

Как показывают результаты опытов, проведенных различными исследователями, коэффициент гасителей зависит в общем случае от чисел Рейнольдса и Фруда, степени затопления гидравлического прыжка, относительного расстояния от сжатого сечения до гасителя, относительной глубины воды над гасителем, относительных геометрических размеров гасителей (рис. 4): относительной высоты гасителя, относительной ширины гасителя, относительной ширины зуба прорезной стенки — так называемого коэффициента разрезки, — ширина прорези, относительных расстояний между шашками и пирсами поперек потока и вдоль него между рядами; от углов наклона передней, задней и боковых граней и от некоторых других факторов.

Для гасителей, имеющих острые кромки, коэффициент не зависит от числа при Re>10⁴ (наблюдается автомодельность от Re).

Полученные экспериментальные результаты показывают, что коэффициенты гасителей увеличиваются с приближением гасителя в пределах гидравлического прыжка к сжатому сечению (т.е. с уменьшением) и с увеличением относительной высоты гасителя .

Горизонтальная составляющая сила, действующая на гасители во втором ряду, характеризуется меньшими при обычно принимаемых между рядами гасителей расстояниями.

С точки зрения реактивного воздействия гасителей на поток применение третьего и последующих рядов, например шашек и пирсов, является чаще всего нецелесообразным.

Приближение гасителей к сжатому сечению обычно ограничено, так как при близком расположении гасителя происходит фонтанирование воды, что нежелательно по эксплуатационным соображениям. Часто принимают. Такое расстояние до среднего сечения характерно для близко расположенных гасителей.

После выбора типа гасителя и его геометрических размеров, определяют силу и тем самым, а далее можно воспользоваться уравнением гидравлического прыжка (5) для определения .

Если необходимо запроектировать сопряжение в потоке с гасителями при второй сопряженной глубине (которая не равна без гасителей), то по уравнению (21.5) находим требуемые реакции. Затем подбираем гасители с такими и, которые при заданных и обеспечили бы получение необходимого значения реакции .

Все описанное относится к обычным гасителям, работающим в условиях отсутствия кавитации, т. е. при скоростях набегающего потока не более 12−14 м/с. При возникновении кавитации на поверхности обычных гасителей давление резко понижается, характеристики силового воздействия потока на гаситель изменяются по сравнению с бескавитационным обтеканием.

Кавитация подразделяется на стадии, характеризующиеся различными значениями отношения, где — критический параметр кавитации, т. е. соответствующий началу появления кавитации, а — параметр кавитации в данных условиях для рассчитываемого сооружения:

. (22).

Для гасителей первого ряда за характерную скорость принимают среднюю скорость в сжатом сечении, a за характерное давление — давление, действующее на вершине гасителя,, где для гасителей первого ряда [близко расположенные гасители (при)] глубина .

Если гасители установлены в конце гидравлического прыжка, то .

За обычно принимается давление насыщенных паров воды при данной температуре. Соответственно или .

При кавитация отсутствует. Для различных гасителей в нижнем бьефе значения изменяются приблизительно от 1 до 2,1−2,4.

Кавитация проходит следующие стадии: начальную, развившуюся и суперкавитацию. Для плохо обтекаемых тел при начальной стадии кавитации; при развившейся; при суперкавитации .