Моделирование и расчеты нестационарных потоков в зоне сооружений на оросительных каналах

Настоящая работа посвящена исследованию нестационарных потоков в зоне гидротехнических сооружений на оросительных каналах и усовершенствованию математической модели неустановившегося движения воды в оросительных каналах, которая используется для решения задач гидравлики, связанных с проектированием, внедрением и эксплуатацией АСУ технологическими процессами водозабора и водораопределения на магистральных оросительных каналах.

Актуальность работы определяется широким внедрением автоматизации гидромелиоративных систем, которая является одним из важнейших факторов, обеспечивающих экономное и комплексное использование водных ресурсов. Внедрение автоматизации связано с решением задач, поставленных в Продовольственной программе, утвержденной на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС, где указывается на необходимость «. усилить исследования по рациональному использованию водных ресурсов.», а также предусмотрено «.создание экономичных и надежных в эксплуатации оросительных систем с механизированным и автоматизированным водораспре-делением» 46. Данная работа выполнена согласно заданию 03. отраслевой проблемы 0,04 Минводхоза СССР (№ Гос. регистрации 0181.8 011 889).

При создании АСУ технологическими процессами водозабора и водораспределения на оросительных каналах в стадии проектирования возникает необходимость в анализе функционирования замкнутой системы управления, включающей в себя технологические процессы управления транспортировкой воды на участках канала, а также алгоритмы управления водозаборными^и перегораживающими сооружениями. В связи с трудностью, а иногда и невозможностью проверки работоспособности проектируемой системы на натурном объекте, целесообразно проводить её анализ на математической модели, реализуемой на ЭВМ и отражающей физические процессы движения воды в канале, основой которых является неустановившееся движение.

Современное состояние вопроса математического моделирования нестационарных потоков в кадаалах с автоматическим регулщю-ванием подачи воды изложено в работах Большакова В. А., Еременко Е. В., Клещевниковой Т. П., Коваленко П. И., Немцовой А. А., Осипиной Л. М., Маковского Э. Э., Синелыцикова B.C., Stietftofrf Т. Avvo^ock-o J.

Существующие математические модели, основанные на использовании дифференциальных уравнений Сен-Венана, полностью описывают неустановившееся движение воды в бьефах канала, однако они не отражают нестационарный характер и пространственные условия протекания воды в зоне гидротехнических сооружений. В работах Леви И. И. /40,41/, Слисского С.М./56.57/, Скребкова Г. П. /54/, Смыслова В. В. /58−60/ и др., посвященных исследованию стационарных потоков, отмечено, что условия протекания воды в зоне сооружений и, в частности, перепад восстановления влияют на оценку их пропускной способности. Очевидно, при неустановившемся движении воды (наиболее общем и сложном виде движения) пропускная способность сооружений также зависит от указанных условий, но этот вопрос до настоящего времени не изучен. В литературе имеются зависимости, связывающие параметры стационарных потоков в зоне сопряжения бьефов и позволяющие учитывать при гидравлических расчетах перепад восстановления. Подобная зависимость, но для нестационарных потоков, соответствующая условиям плоской задачи, представлена в работе Еременко Е. В. /26/. Однако, для условий сопряжений, которые наиболее часто реализуются на оросительных каналах, до настоящего времени не предложены зависимости, позволяющие учесть при расчетах нестационарных потоков перепад восстановления. Целесообразность исследования условий протекания воды в зоне сооружений обусловлена также и тем, что расчеты существующих моделей широко используе мыми конечно-разностными методами предполагают взаимосвязь между параметрами потока по всей длине канала. Таким образом, от правильности и точности определения параметров потока в зоне сооружений зависит правильность и точность всего расчёта неустановившегося движения воды в канале. Это указывает на необходимость полного описания в используемых для расчётов математических моделях реальных процессов, связанных с неустановившимся движением воды как в бьефах канала, так и в зонах гидротехнических сооружений.

Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является установление зависимостей, связывающих параметры нестационарного потока при сопряжении бьефов, и исследование на их основе влияния условий протекания потока на оценку пропускной способности сооружений и, кроме этого, путем учёта неустановившегося движения в зоне сооружений усовершенствование существующих математических моделей нестационарных потоков в автоматизированных оросительных каналах.

Новым в работе является:

— зависимости, связывающие параметры нестационарного потока в призматическом и плавно расширяющемся прямоугольном русле и в призматическом трапецеидальном русле;

— Анализ влияния условий протекания нестационарных потоков в зоне сооружений на оценку их пропускной способности;

— математические описания сопряжения потоков в зоне сооружений с учётом пространственных условий и неустановившегося движения воды в прямоугольных и трапецеидальных руслах;

— математическая модель неустановившегося движения воды, протекающей через сооружения и в примыкающих к ним бьефах канала;

— усовершенствованная модель нестационарных потоков в автоматизированных оросительных каналах, отражающая нестационарный характер и пространственные условия движения воды в зоне сооружений;

— конечно-разностный аналог усовершенствованной модели, основанный на применении явно-неявного метода расчёта и учитывающий особенности реализации различных способов регулирования водоподачи.

Практическая ценность работы определяется использованием усовершенствованной модели неустановившегося движения воды в оросительных каналах. Предлагаемая модель учитывает нестационарный характер протекания воды в зоне сооружений и пространственные условия сопряжения бьефов. Использование модели цри решении гидравлических задач, связанных с разработкой, внедрением и эксгауатацией АСУ технологическими процессами водозабора и водораопределения в оросительных системах, позволяет более точно отразить реальные процессы. Реализация работы осуществлена внедрением результатов исследований при разработке мероприятий по улучшению водоучёта в условиях неустановившегося движения на каналах Красноперекопской оросительной системы и анализе рабоиы регуляторов на Каховской оросительной системе с целью повышения качества водораопределения.

Апробация работы прошла на 86 республиканском семинаре по гидравлике открытых русел и сооружений (Киев, 1983), на ХХХУП, ХХХУШ, XXXIX, XL, научных конференциях профессорско-преподавательского состава КАДИ (Киев, 1980;1983 г. г.), ХШ научной конференции профессорско-преподавательского состава СФ ДИСИ (Симферополь, 1983 г.).

По результатам выполненных научных исследований опубликовано 4 печатных работы.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. В первой главе отражено современное состояние вопроса: рассматривается сущность управления водораопределением в оросительных каналах, проводится анализ методов расчёта нестационарных потоков в открытых руслах и некоторых частных математических моделей неустановившегося движения воды через гидравлические сооружения. Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям нестационарных потоков в зоне сопряжения бьефов. В третьей главе представлены результаты исследования влияния перепада восстановления и условий протекания воды в зоне сооружений на оценку их пропускной способности. Четвертая глава посвящена разработке модификации математической модели нестационарных потоков в автоматизированных оросительных каналах с учётом неустановившегося движения воды в зоне сооружений, В пятой главе приведены решения некоторых прикладных задач, связанных с гидравлическими расчётами переходных процессов при регулировании водоподачи в оросительных каналах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные положения и результаты выполненных исследований, представленных в диссертационной работе можно сформулировать следующим образом.

1. На основании анализа ранее выполненных исследований, связанных с моделированием и расчётами нестационарных потоков в оросительных каналах, установлено, что для идентификации реальных процессов следует учитывать нестационарный характер потока не только в бьефах канала, но и в зоне гидротехнических сооружений, расположенных на них.

2. Путём теоретического решения, используя теорему об изменении количества движения, получены зависимости, связывающие параметры нестационарного потока в зоне сопряжения бьефов при различных пространственных условиях: поток в призматическом и плавно расширяющемся прямоугольном русле и поток в призматическом трапецеидальном русле.

Анализ предложенных зависимостей указывает, что при^~~и они соответствуют уравнениям, ранее используемым при расчётах стационарных потоков с аналогичными схемами протекания воды. Дляусловий плоской задачи зависимости преобразовываются к виду ранее полученного уравнения. Таким образом, они являются более общими, а ранее полученные — их частными случаями.

3. С помощью численных экспериментов, проведенных на существующих математических моделях нестационарных потоков, куда были включены предложенные зависимости, исследована пропускная способность гидротехнических сооружений с регулируемой площадью истечения. Установлено, что на оценку пропускной способности при неустановившемся движении воды оказывает влияние перепад восстановления, который имеет место в результате стеснения потока сооружением. На оросительных каналах это влияние особенно проявляется при переходе от одного режима водоподачи к другим и зависит от первоначальной степени затопления сооружений и подаваемых через них расходов воды. Установлено также, что величина перепада восстановления зависит от нестационарности потока: при возрастании водоподачи через сооружение (восходящая ветвь гидрографа) нестационарность потока обусловливает уменьшение величины перепада восстановления, а при уменьшении водоподачи (нисходящая ветвь гидрографа) нестационарность обусловливает увеличение перепада восстановления. Величина перепада восстановления зависит от соотношения ширины подзатворного отверстия сооружения и ширины русла канала. Увеличение этого соотношения приводит к возрастанию перепада восстановления. Перепад восстановления также зависит от величины используемого при расчётах корректива количества движения в створе сооружения, возрастание которого приводит к увеличению перепада восстановления.

4. На основании исследований пропускной способности сооружений при неустановившемся движении воды сделан вывод, подтвержденный данными натурных экспериментов, что реализация способов автоматического регулирования водораопределением, связанных с использованием гидравлических расчётов, проведенных с помощью существующих математических моделей, в которых не отражены нестационарный характер движения воды в зоне сооружений и пространственные условия сопряжения бьефов, приводит к пропуску через сооружения объёмов воды, больше расчётных. Исходя из этого, для более рационального использования воды гидравлические расчеты, связанные с автоматизацией водораспределения на оросительных каналах, необходимо проводить на таких математических моделях, где полностью отражены действительные условия протекания воды в зоне гидротехнических сооружений.

5. Для моделирования неустановившегося движения воды в оросительных каналах предложено новое математическое описание условий сопряжения потока в зоне сооружений, основанное на рассмотрении дополнительного контрольного створа, расположенного в нижнем бьефе непосредственно у сооружений, что позволило при моделировании, используя полученные теоретическим путём зависимости, учесть перепад восстановления и пространственные условия сопряжения бьефов. Причём, рассмотрены условия сопряжения потоков как в прямоугольных, так и в трапецеидальных призматических руслах.

6. Разработана модификация математической модели неустановившегося движения воды, протекающей через сооружения и в примыкающих к ним бьефах. Отличительная особенность этой модификации от существующих заключается в использовании новых условий сопряжения, что позволило отразить действительные условия движения воды в зоне сооружений на оросительных каналах.

7. Путём моделирования неустановившегося движения не только в бьефах канала, что присуще ранее разработанным моделям, но и в зоне гидротехнических сооружений усовершенствована полная математическая модель нестационарных потоков во взаимосвязных участках автоматизированного оросительного канала.

8. Для удобства использования модели для гидравлических расчётов, проводимых на ЭВМ, разработан конечно-разностный аналог полной математической модели, основанный на применении комбинированного явно-неявного метода расчёта.

9. Представлены описания граничных условий краевых задач, решаемых с помощью данной модели, и расчётные зависимости для определения гидравлических характеристик нестационарного, потока в зоне гидротехнических сооружений при реализации наиболее часто применяемых способов автоматического регулирования подачи воды в бьефы оросительных каналов.

— Ю. Разработанная математическая модель нестационарных потоков имеет общий характер. Реализация её на ЭВМ позволяет на стадии проектирования АСУ водораспределением и водозабором в оросительных каналах имитировать протекание переходных процессов с целью исследования их динамики и, кроме этого, рассмотреть проектируемые алгоритмы контроля и управления работой гидротехнических сооружений, в целом это создает условия для улучшения качества и ускорения цроектных разработок. При эксплуатации автоматизированных каналов анализ расчётов модели, проводимых на ЭВЦ установленной на центральном диспетчерском пункте оросительной системы, позволяет осуществлять оперативный контроль и прогнозирование требуемых режимов работы каналов и обеспечение заявок его потребителей, что дает возможность более рационально использовать водные ресурсы.

11. На основании предлагаемой модели применительно к ЭВМ ЕС-ГО3D составлена программа для решения прикладных задач, связанных с проектированием и внедрением АСУ технологическими процессами водозабора и водораспределения.

12. Результаты исследований явились основой при разработке мероприятий по улучшению водоучёта при неустановившемся движении воды на каналах Красноперекопской оросительной системы. Усовершенствованная математическая модель нестационарных потоков в автоматизированных каналах использована при анализе режимов работы регуляторов Каховской оросительной системы, что позволило повысить качество водораспределения.

13. Суммарный экономический эффект от внедрения мероприятий по. улучшению водоучёта и водораспределения на вышеуказанных оросительных системах в 1982 году составил 112 тыс. руб.