Гашение энергии в нижнем бьефе гидротехнического сооружения

Наиболее экономичным является сопряжение бьефов, при котором происходит отгон прыжка, В этом случае прыжок формируется в пределах сооружения. Такой вид сопряжения имеет место при h''<h_t и на- зывается сопряжением с надвинутым прыжком, Однако на практике это условие может не выполняться. В таких случаях для того, чтобы обеспечить в нижнем бьефе сопряжение с надвинутым прыжком, необходимо искусственно увеличить глубину за водосливом h_t .

Способ гашения избыточной энергии при сопряжении верхнего и нижнего бьефов за счет увеличения глубины h_t, наиболее распространен в практике проектирования. В качестве основных гасителей, увеличивающих эту глубину, применяют водобойный колодец, водобойную и стенку и комбинированный водобойный колодец.

Гидравлический расчет водобойного колодца.

Расчет сводится к определению глубины dи длины l_d колодца (рис. 10.8).

Глубину колодца d вычисляют по методу последовательных приближений в соответствии с формулой.

Рис. 10.8. Водобойный колодец.

(10.34)

где -коэффициент запаса ( =1,05…1,1); ∆z-перепад, образующийся при выходе из колодца;

(10.35)

где -средняя скорость потока в нижнем бьефе при бытовой глубине ; -коэффициент скорости, определяемый для условия, что выходная часть колодца работает как подтопленный водослив с широким порогом ( зависит от формы входного ребра водослива); -средняя скорость в колодце на глубине (см. рис. 10.8.).

Для прямоугольного русла шириной b»h (плоская задача) вмес­то формулы (10.35) следует применять формулу

(10.36)

где

При вместо формулы (10.36) имеем

Если пренебречь величиной ∆z, то глубина колодца может быть определена по формуле

(10.37)

В данном случае глубину колодца также находят по методу последовательных приближений, так как , а . Без устройства колодца удельная энергия равна е₀. С устройством колодца удельная энергия увеличивается на d (см. рис. 10.8) и становится равной Поэтому в соответствие с формулой (10.34) или (10.37) глубина колодца В связи с этим и появляется необходимость применения метода последовательных приближений (подбора) при вычислении значения d.

Второй расчетный параметр – длина водобойного колодца l_d, определяется по формуле:

L_d=l₁+l_j(10.38)

где l_j– длина прыжка; l₁-длина отлета струи.

Длину прыжка в колодце (поперечного прыжка) вычисляют по формуле

(10.39)

Длину отлета струи определяют по специальным формулам в зависимости от типа водослива, см. формулы (10.46), (10.47), (10.48).

Гидравлический расчет водобойной стенки.

Рис. 10.9. Водобойная стенка.

Гидравлический расчет водобойной стенки состоит из определения высоты стенки p_B и расстояния до нее от сжатого сечения l_B(рис. 10.9).

Высоту стенки вычисляют по формуле

(10.40)

где H₁- напор над стенкой, которую рассматривают как водослив практического профиля;

(10.41)

где

При отсутствии подтопления стенки со стороны нижнего бьефа напор H_0,1 определяют из формулы расхода неподтопленного водослива

(10.42)

принимая коэффициент расхода m=0,4…0,42

После вычисления высоты водобойной стенки необходимо проверить­ вид сопряжения потока за стенкой и в случае сопряжения с отогнанным прыжком ( )запроектировать еще одну стенку, расчет корой выполняют аналогично. Далее проверяют сопряжение потока за второй стенкой и при h_C" >h_tпроектируют третью стенку и т, д., пока не получают h" <h_t,то есть сопряжение с надвинутым прыжком. При сопряжении за стенкой с надвинутым прыжком (h_C" <h_t)водобойная стенка работает как подтопленный водослив. В этом случае

(10.43)

где -коэффициент подтопления, .

При наличии подтопления стенки ее высоту определяют методом последовательных приближений. Расстояние от сжатого сечения до стенки l_Bвычисляют по формуле (10.38) при l_B=l_d.

Гидравлический расчет комбинированного водобойного колодца,представляет собой сочетание водобойного колодца и водобойной стенки (рис. 10.10).

Данный гаситель целесообразно проектировать в том случае, когда полученные по расчету размеры водобойного колодца или водобойной стенки оказываются слишком большими.

Рис. 10.10. Комбинированный водобойный колодец.

Рис. 10.11. Отлет струи за тонкой стенкой.

Гидравлический расчет комбинированного водобойного колодца сводится либо к нахождению высоты стенки p_B при заданной глубине колодца d, либо глубины колодца d при заданной высоте p_B.

При заданной d.

(10.44)

а при p_B

(10.45)

При заданной dпосле определения необходимо проверить сопряжение потока за стенкой и приh" <h_t запроектировать вторую стенку (см. гидравлический расчет водобойной стенки). В случае необходимости h_C" <h_t следует учесть подтопление стенки, определяя ее высоту методом последовательных приближений с вычислением Н₀₁ по формуле (10.43).

Длину комбинированного колодца вычисляют по формуле (10.38).

Длину отлета струи (дальности падения струи) определяют по следующим формулам:

при падении струи с водослива с тонкой стенкой (рис. 10.11)

(10.46)

где p-высота водослива со стороны нижнего бьефа, или высота падения струи;

при падении струи с водослива с широким порогом (рис. 10.12.)

(10.47)

при падении струи с водослива практического профиля прямолинейного очертания (рис. 10.13.)

(10.47)

Рис. 10.13. отлет струи за практическим профилем.

Рис. 10.12. отлет струи за широким порогом .

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЫЖОК - часть потока в русле со свободной поверхностью, в пределах к-рой происходит резкий подъём уровня воды при переходе от бурного или стремит. течения к спокойному. При этом скорость v₁ стремит. течения больше волновой скорости (т. е. больше скорости распространения волн на поверхности данной жидкости ), а глубина h₁ меньше критич. глубины h_кр; при переходе к спокойному течению его скорость v₂ становится меньше волновой скорости, а глубина h₂>h_кр (рис.). Участок Г. п., движение воды в к-ром носит сложный водоворотный характер, наз. вальцом. В начале Г. п. идёт захват осн. потоком масс жидкости из вальца, а в конце Г. п. жидкость осн. потока поступает в валец. T. о., между вальцом и осн. потоком происходит обмен кол-вом движения, что ведёт к торможению осн. течения и значит. потерям энергии.

Гл убины h₁ и h₂ до и после Г. п. наз. взаимными или сопряжёнными глубинами, а их разность (h₂-h₁) определяет высоту Г. п. Длина Lучастка, на к-ром происходит резкое изменение глубин потока, наз. длиной Г. п. Обычно Г. п. возникает при протекании воды через возвышение на дне русла, при вытекании из-под щита или перетекании через водослив.

Осн. задача при расчёте Г. п.- определение взаимных глубин, длины Г. п. и сопровождающих Г. п. потерь энергии. Взаимные глубины определяются соотношением

где Фруда число, g - ускорение силы тяжести. Длина Г. п. определяется по эмпирич. ф-лам, напр. для прямоугольных русел по ф-ле H. H. Павловского: L=2,5 (1,9 h₂ - h₁). Потери энергии в Г. п. в этом случае При больших числах Фруда (Fr>2,5) эти потери составляют св. 50%, т. е. Г. п.- хороший гаситель энергии. Поэтому Г. п. используется в гидротехнике, напр. для защиты от размывов ниж. бьефа плотин.

28. Водосливы—классификация водосливов,задачи расчёта и их решения.Получение водосливной формулы на примере водослива с широким порогом.

Водосливом называется преграждающее поток устройство или сооружение, через которое происходит перелив жидкости.

Водосливы классифицируются по следующим основным признакам:

1)по ширине порога водосливы подразделяются на три типа: с тонкой стенкой , с широким порогом , практического профиля; 2) по форме выреза водосливы бывают прямоугольные, трапецеидальные, треугольные, круглые, полигональные. Наибольшее применение в практике находят водосливы первых трех типов; 3) по условиям бокового сужения потока они делятся на водосливы с боковым сужением (ширина водослива меньше ширины русла) и водосливы без бокового сужения (ширина водослива равна ширине русла).

В зависимости от расположения порога водослива в плане водослив может быть прямым, боковым, косым, криволинейным или с боковым сжатием

По типу сопряжения струи с нижним бьефом водосливы разделяются на незатопленные, когда уровень потока в нижнем бьефе непосредственно за водосливом не превышает гребня порога водослива, и затопленные, когда этот уровень выше, чем гребень порога (положение уровня в нижнем бьефе в последнем случае существенным образом влияет на величину расхода, пропускаемого через водослив.

Задачи расчёта и их решение:

1)известны величины Q ,b,hб и P.Найти H.

2)известны b, hб, P, H. Найти Q

3)известны hб, H, P, Q. Найти b

Формулы:

Неподтопленный водослив

Подтопленный водослив

Основы теории сопряжения бьефов—решаемые задачи, определение сжатой глубины, типы сопряжения бьефов, гашение энергии потока в нижнем бьефе.

При уклоне отводящего русла (что обычно и имеет место в практике) возможны три типа сопряжения бьефов.

Первый тип: сопряжение бьефов при помощи отогнанного гидравлического прыжка. В этом случае прыжок оказывается на некотором расстоянии от сооружения. Длина l называется длиной отгона прыжка; она представляет собой длину кривой подпора.(Отогнанный гидравлический прыжок)

Второй тип: гидравлический прыжок в сжатом сечении. В этом случае нижний бьеф не затапливает прыжка, но и отгона прыжка тоже нет; прыжок начинается в сжатом сечении (l=0). Сопряжение потока в этом случае называется сопряжением бьефов с надвинутым прыжком. (Гидравлический прыжок в сжатом сечении)

Третий тип: сопряжение бьефов при помощи затопленного гидравлического прыжка. В этом случае нижний бьеф затапливает прыжок.( Затопленный гидравлический прыжок)

Определение сжатой глубины h_C=q/ϕ*√2gE₀

Наиболее выгодной с экономической точки зрения является форма сопряжения бьефов, когда прыжок является затопленным. В том случае, когда прыжок отогнанный или надвинутый, приходится ставить в нижнем бьефе гасителеи энергии, при помощи которых можно получить затопленный гидравлический прыжок.

Различают следующие типы гасителей:

1)водобойный колодец. Заключается в искусственном увеличении глубины нижнего бьефа за счет опускания дна нижнего бьефа (непосредственно у сооружения) на величину

2) Водобойная стенка. Здесь глубина нижнего бьефа увеличивается за счет подпора, вызываемого специальной водобойной стенкой, устроенной в нижнем бьефе

3) Водобойный колодец комбинированного типа.В этом случае глубина нижнего бьефа увеличивается за счет опускания дна русла бьефа, а также за счет подпора, создаваемого водобойной стенкой.