3679

довательно

Определив величину zp+zВ , используя выражение (2), последнее выражение приняло следующий вид:

(6)

Рис. 3. Схема взаимодействия п осесимметричных параллельных гидравлических струй

Воспользовавшись положением о том, что угол бокового расширения затопленной гидравлической струи равен 12°, мы получили следующие выражения для определения длин участков раздельного движения zр и взаимодействия струй zВ :

(7)

Суммарный поток образованный рядом параллельных затопленных гидравлических струй можно рассматривать как одиночную затопленную гидравлическую струю и для него будут применимы все основные теоретические выводы, полученные для одиночных струй. Закон изменения осевых скоростей суммарного потока, как свидетельствует опыт, может быть представлен с достаточной точностью для практических целей такой зависимостью:

где S- расстояние от начального сечения суммарной струи до рассматриваемого сечения потока; ф»- коэффициент пропорциональности, определяемый опытным путем.

Рис. 4. Схема взаимодействия двух рядов п осесимметричных параллельных гидравлических струй (сечение вертикальной плоскостью)

После того как были получены основные математические выражения, описывающие поток, образованный одним рядом п параллельных гидравлических струй, мы перешли непосредственно к рассмотрению потока, образованного двумя рядами п параллельных струй.

Рассмотрим взаимодействие двух суммарных струй, образованных осесимметричными параллельными гидравлическими струями(расстояния между ихосями симметрии равны друг другу и равны bЭ ), отстоящих друг от друга на расстоянии hЭ . Расстояние hЭ определяет способность суммарной струи к эжектированию. При условии, что hЭ >bЭ , суммарные струи развиваются самостоятельно. Их боковые поверхности (границы струй) не смыкаются до определенного сечения, а затем происходит их слияние. Таким образом, данный случай можно рассматривать как частный случай взаимодействия п параллельных гидравлических осесимметричных струй. Поэтому нами принята определенная схема, показанная на рис. 4.

Для описания суммарного потока, образованного двумя рядами параллельных гидравлических струй, выведем аналитические выражения для следующих кинематических и геометрических параметров: начальная осевая скорость потока VUO ; длина участка раздельного движения суммарных струй Sp и длина участка взаимодействия струй SB .

На одинаковых расстояниях от начального сечения суммарных струй DD " осевые скорости суммарных струй одинаковы и определяются выражением (9). При S=Sp+SB произойдет полное выравнивание скоростей в сечении ЕЕ " и тогда осевую скорость суммарного потока можно выразить в виде:

Длины участков раздельного движения и взаимодействия суммарных струй определим, исходя также из положения, что угол бокового расширения затопленной гидравлической струи равен 12°, по следующим выражениям:

Перейдем непосредственно к случаю распространения потока, образованного двумя рядами п параллельных гидравлических струй, при наличии противотечения.

Рассматривая схему создания двух встречных потоков (рис. 5) с учетом давления создаваемого столбом воды со стороны верхнего бьефа и гидравлического упора создаваемого суммарным водным потоком, а так же принимая во внимание особенности его распространения, нами было получено математическое условие образования зоны уравновешенных (равных) давлений в следующем виде:

14

(14)

Рис. 5. Схема создания двух встречных потоков:

//- напор со стороны верхнего бьефа; h- глубина затопления отверстия; P0 - атмосферное давление; VUO - скорость водного (суммарного) потока в сечении ЕЕ";

VПРИВЛЕК - скорость привлекающего потока, SEE...- расстояние от выходного сечения насадков до начального сечения суммарного водного потока; XL - расстояние от на-

садков до зоны уравновешенных давлений.

С учетом некоторых замечаний величину расстояния до зоны равных давлений XL , используя (11), найдем из выражения:

Условие образование зоны уравновешенных давлений (14) доказывает возможность беспрепятственного перевода рыбы (любых других плавающих тел) из нижнего бьефа гидроузла в верхний бьеф. Но для успешного перевода рыб, идущих на нерест, необходимо наличие устойчивого привлекающего шлейфа. Это будет возможным при выполнении следующего условия:

Выполнение условия (16) можно достичь, изменяя величину начальной скорости истечения струй V0 или величину напора со стороны верхнего бьефа H. Это доказывает возможность использования предлагаемого способа нейтрализации встреч-

15

ного течения в рыбопропускном отверстии рыбохода для создания конструкций рыбоходов нового типа, отвечающих современным требованиям. Такая конструкция нами была разработана, ее схема показана на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема рыбохода

В основу предлагаемой конструкции рыбохода положено естественное стремление рыбы идти на нерест против течения. Рыбоход размещается (рис. 6) в створе плотины / гидроузла и выполняется в виде открытого водосливного лотка 2 (рыбоходного тракта) с вертикальными стенками 3, делящие общий напор гидроузла на части (3...5 м), в которых расположены рыбопропускные (вплывные) с округленными кромками отверстия 4, имеющие прямоугольную форму.

Суть устройства рыбопропускного отверстия такова. От насоса вода по питающим трубопроводам поступает к струеобразующим насадкам, расположенным по периметру рыбопропускного отверстия, которые образуют струи воды. Взаимодействуя между собой, струи воды создают противодавление встречному потоку, обеспечивающее оптимальные скорости привлекающего потока через рыбопропускное (вплывное) отверстие. Для стабилизации потока используется заградительный козырек.

В третьей главе - «Экспериментальные исследования применения водного потока, образованного двумя рядами параллельных гидравлических струй, для экологически безопасного и беспрепятственного перевода рыб через плотину ГТС» излагаются состав и методика экспериментальных исследований, выбор критерия подобия и масштаба моделирования, определение диапазона исследуемых вели-

16

чин, дается описание экспериментальной установки и измерительного оборудования, используемого в опытах, методика обработки и оценки точности полученных результатов, результаты тарировки струеобразующих насадков батарейного типа.

Для подобия турбулентных потоков необходимо и достаточно геометрического подобия границ потока и кинематического подобия на границах. Так как развитие турбулентного потока автомодельно в отношении гидродинамического критерия Рейнольдса то, поэтому при проведении лабораторных исследований за основной критерий подобия был принят критерий подобия Фруда. Исходя из возможностей лабораторного оборудования, нами выбран масштаб моделирования 1:10.

В четвертой главе - «Результаты экспериментальных исследований» предоставлены основные результаты лабораторных экспериментов и соответствующие выводы. Эксперименты включали в себя следующее:

-опыты по измерению величины максимально возможного напора Н со стороны верхнего бьефа, удерживаемого образованным суммарным потоком воды;

-опыты по исследованию зоны равных давлений;

-опыты по изучению условий и факторов, влияющих на создание привлекающего потока;

-опыты с использованием модельных рыб по проверке возможности использования изучаемого явления в способе работы предлагаемой конструкции рыбохода.

В результате теоретического исследования было получено следующее выражение для нахождения величины в зависимости от начальных условий истечения струй и геометрии их расположения:

Результаты проведенных экспериментов указывают на полную аналогию закономерностей изменения гидравлического упора суммарного потока от начальных условий истечения струй и геометрии их расположения (V0n, d0n , hЭ ,bЭ , п) с закономерностями, описанными выражением (17).

Коэффициент напорафН ,входящий в выражение (17), является величиной переменной. Численное значение фН зависит как от диаметра d0n и расстояния, так и от ряда других факторов. Поэтому мы определили значения фН для различных случаев конфигурации расположения насадков по периметру пропускного отверстия в пределах проводимых экспериментов. Пример графической зависимости коэффициента фН показан на рис. 7.

Проанализировав полученные результаты, нами были сделаны следующие основные выводы об изменении фн:

1. С увеличением расстояния между насадками bэ величина коэффициента напора фн уменьшается;

2. С уменьшением диаметра насадков d0n коэффициент фН уменьшается.

Ф н

Ряд1

Ряд2

РядЗ

bэ, мм

Рис. 7. Зависимость фн от расстояния bЭ для отверстий размерами 160*65 мм и

176*65 мм:

Ряд 1 - d0=10мм; Ряд 2 - d0=7мм; Ряд 3 - d0=5мм.

Опыты, связанные с исследованием зоны равных давлений, заключались в нахождении местоположения зоны равных давлений и определении расстояния от нее до выходного сечения насадков X1. Результатом предшествовавшего теоретического исследования стало следующее выражение для нахождения величины :

Результаты полученных экспериментальных данных имеют удовлетворительное согласование с закономерностью, описанной выражением (18). По результатам экспериментов были сделаны следующие выводы об изменении XL :

1. С уменьшением диаметра выходного сечения насадков d0n расстояние XL от выходных сечений насадков до зоны равного давления уменьшается;

2.С увеличением числа струеобразующих насадков п (т.е. с уменьшением расстояния bэ ) во всех случаях наблюдается уменьшение расстояния XL ;

3.С уменьшением числа насадков п в два раза во столько же раз увеличивается

расстояние XL .

Итоги вычислений значений коэффициента расстояния фр для различных случаев показали, что его средние значения меняются в следующем пределе: 0,6-0,9.

Исследования условий и факторов, влияющих на создание привлекающего потока, основывались на определении средней скорости привлекающего потока VПРИВ.СР.. B ходе теоретических исследований, используя общепринятые закономерности, было получено следующее выражение:

18

Это выражение показывает, что основным фактором, влияющим на величину

VПРИВ.СР. , является высота дополнительного напора Н (та часть напора со стороны верхнего бьефа, которая обеспечивает превышение над гидравлическим упором

суммарного потока). Результаты проведенных экспериментов полностью подтвердили последнее суждение, и они позволили сделать следующие выводы:

1. Средняя привлекающая скорость VПРИВСР с увеличением величины ΔHсо стороны верхнего бьефа увеличивается;

2.Для малых диаметров насадков d0n изменение величины скорости VПРИВ.СР. практически не зависит от расстояния между насадками bЭ;

3.Начиная с диаметра насадка d0 =7мм, увеличивается разброс скоростей VПРИВ.СР.

взависимости от расстояния bэ ;

4.Для насадков диаметром d0=10мм величина разброса скоростей VПРИВСР в зависимости от величины ΔHувеличивается;

5.С увеличением диаметра насадка d0n увеличивается скорость VПРИВ.СР при од-

них и тех же значениях Н.

Результатыэкспериментов,крометого,показали,чтонавеличинукоэффициента привлекающего потока φП оказывает существенное влияние не только ΔH, но и

следующие величины: V0n, bЭ и LОТСТУП. (LОТСТУП. - расстояние от крайнего насадка до заградительного козырька). Эксперименты показали, что средние значения фП ме-

няются в следующем пределе: 0,3-0,5.

Для проверки возможности использования предлагаемой конструкции технического устройства для пропуска рыбы через плотину нами была проведена серия экспериментов. За основу этих экспериментов был взят метод моделирования, где в качестве модели объекта мы использовали молодь плотвы (Rutilus rutilus) и окуня (Percafluviatilis). Лабораторная установка для проведения экспериментов с модельными рыбами быласпециальным образом подготовлена. Опыты проводили на группе (24 шт) молоди плотвы (длиной до 12 см и весом до 10 гр) и на двух размерных группах (по 17 и 12 шт) молоди окуня (1 -ая группа: длиной до 9 см и весом до 14 гр, 2-ая группа: длиной от 9см до 15 см и весом до 20 гр). По материалам наблюдений были сделаны следующие выводы:

1. при отсутствии привлекающего потока основные скопления рыб для всех трех групп наблюдались у стенок бассейна в нижнем бьефе, за отдельными исключениями во 2-ой размерной группе окуня (около 4% процентов рыб сражу же после их выпуска ушли в верхний бьеф);

2.при подаче привлекающего потока средней величиной около 0,1м/с (для плотвы) и около 0,14м/с (для окуня) во всех трех случаях стаи ориентировались на поток достаточно четко и 94-98% всех особей ушли верхний бьеф (оставшиеся рыба устраивалась у стенок на тиховодных участках);

3.в верхнем бьефе большая часть рыб располагалась на отдаленных от рыбопропускного отверстия участках, отдельные особи блуждали в верхнем бьефе, уходили в нижний бьеф и вновь возвращались.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о возможности исполь-

19

зования предлагаемого технического устройства для перевода рыб из нижнего бьефа гидротехнического сооружения в верхний бьеф.

Кроме экспериментальных исследований процесса распространения двух рядов параллельных гидравлических струй, были проведены так же поисковые экспериментыпоизучениювлияниявзаимногорасположениянасадковотносительно заградительного (экранирующего) козырька. Расположение насадков относительно заградительного козырька характеризуется величиной расстояния LОТСТУП. - расстояние отступа крайнего насадка от боковой стенки заградительного козырька. Таким образом, равномерность расположения насадков по периметру будет характеризоваться безразмерным коэффициентом λ , называемым коэффициентом равномерности и определяемым из следующего отношения:

Предварительные эксперименты показали, что величина равномерности λ существеяно влияет на величину гидравлического упора, привлекающей скорости, расстояния до зоны равного давления и изменяет плановую картину суммарного потока. Поток при равномерном расположении насадков имеет более выровненную эпюру скоростей. По результатам исследований сделаны следующие выводы:

1. в случае более равномерного расположении насадков при одинаковых начальных условиях истечения струй суммарный поток имеет более больший гидравлический упор;

2.при равномерном расположении насадков расстояние до зоны равного давления X1 увеличивается;

3.при более равномерном расположении насадков величина расстояния X1 практически не зависит от величины дополнительного напора ΔH, предпочтительнее является такое расположение насадков при котором λ =2;

4.расположение насадков относительно заградительного козырька практичес-

ки не влияет на величину средней скорости привлекающего потока VПРИВ.СР.;

5. при значении коэффициента равномерности λ =2 с увеличением диаметра струеобразующих насадков d0n разброса средних скоростей привлекающего потока

VПРИВ.СР. не происходит, в отличие от случаев, когда λ>2.

Так как основными характеристиками, отражающими работу предлагаемой конструкции рыбохода, являются величина напора Н со стороны верхнего бьефа и общий секундный расход из всех насадков QОБЩ., то мы вывели зависимость, которая связала бы эти основные характеристики:

где φλ - коэффициент конфигурации потока,

20

По экспериментальным данным мы вычислили значения коэффициента для различных случаев. Используя полученные результаты, нами были сделаны следующие выводы:

1. с увеличением расстояния между насадками bэ величина коэффициента конфигурации потокафλуменьшается;

2.с уменьшением диаметра насадков d0n величина φλ так же уменьшается;

3.с увеличением диаметра насадков (d0n при одних и тех же значениях bЭ величинафλ практически не изменяется.

В пятой главе - «Использование результатов исследований при проектировании рыбохода предлагаемой конструкции» разработана технологическая схема работы рыбохода и приведен расчет экономических показателей.

Для гидроузлов характерны значительные колебания уровней воды как в верхнем бьефе, связанных с паводковым периодом, так и в нижнем бьефе, связанных с недельным и суточным регулированием расхода электроэнергии ГЭС. Поэтому нами принята технологическая схема, показанная на рис. 8.

Общий максимальный напор на плотину HОБЩ.max нужно разбить на части Нср =3- 4м, определяя тем самым количество N разделительных стенок 1 (НОБЩ.max=NH ср). Для обеспечения надежной работы рыбохода секции рыбохода должны оборудо-

ваться индивидуальными насосами 2.

Для создания привлекающего потока равномерного по всей длине рыбохода необходимо наличие избыточного напора ΔH, причем его величина для всех секций должна быть постоянной. Это достигается отличием величины удерживаемого напора НB от действительного напора, приходящегося на верхнюю стенку, на величину ΔH. В условиях изменяющихся уровней бьефов подобную регулировку нужно проводить на нижней или верхней стенке рыбохода. Величину ΔH необходимо устанавливать от вида движущейся по рыбоходу рыбы.

Критерием эффективности рыбохода, как и для других рыбохозяйственных объектов, является минимум расчетных затрат. Коэффициент рентабельности капиталовложений определяли по следующей формуле:

ЭР

где Ц- стоимость годового объема продукции; И- ежегодные издержки (себестоимость) производства; К— сметная стоимость предприятия.

Так как пропускная способность рыбохода зависит от пропускной способности рыбопропускного отверстия, то ее мы вычислили по следующей формуле:

где SOTB. - площадь рыбопропускного отверстия; V1 - средняя скорость движения рыб; Wi - объем пространства на одну рыбу.

Эффективность предлагаемой технологии рыбопропуска, определяли исходя из сравнения базовых и новых технологии. Ожидаемая пропускная способность ры-