ВИХРЕВОЙ ВОДОСБРОС

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к глубинным водосбросам высоконапорных гидроузлов.

Известны водосбросные устройства для напорных водоудерживающих сооружений, включающие подводящий водовод, закручивающее поток устройство (завихритель) и отводящий водовод [1]. После завихрителя в отводящий водовод водосбросного устройства поступает закрученный (циркуляционно-продольный) поток, имеющий помимо аксиальных скоростей u_x, направленных вдоль водовода, азимутальные скорости u_θ, направленные по его окружности и создающие поперечную циркуляцию в потоке. Данные устройства называются вихревыми водосбросами, при этом закручивающее устройство может быть любой конструкции, например в виде направляющего аппарата реактивной гидротурбины, тангенциального завихрителя и др. [2-4].

Недостатком этих устройств является установленный экспериментально [5], а в последующем доказанный теоретически [6 - 8] эффект, состоящий в том, что в вихревых водосбросах с гашением поперечной циркуляции по длине отводящего водовода поток сначала теряет устойчивость, трансформируясь в спиралевидное течение с нарастающим по длине водовода спиралевидным изгибом его оси вращения - так называемого вихревого шнура, а затем разрушается в результате дестабилизации последнего, который начинает вращаться вместе с потоком, после чего происходит распад течения на отдельные крупные вихревые образования. Это явление называется «распадом вихря». Прецесс вихревого шнура и распад потока сопровождаются мощной динамикой с уровнем пульсаций скоростей и давлений, значительно превышающим уровень развитой турбулентности. Механизм потери устойчивости и смены форм движения циркуляционно-продольного течения известен. Любой закрученный поток имеет две характерные области: вихресодержащую центральную область (вихревое ядро) со значительной завихренностью и периферийную область с малой завихренностью. Вихревое ядро является нестационарной областью потока, в которой зарождаются возмущения, нарушающие его осевую симметрию. В результате, теряя циркуляцию, а с ней теряя стабилизирующее силовое центробежное поле, поток оказывается неспособным подавлять эти несимметричные возмущения и переходит от симметричной формы к спиралевидной. Дальнейшее вырождение циркуляции приводит к распаду циркуляционного течения в связи со слабостью остаточной закрутки. Описанные явления происходят в отводящих водоводах длиной более 60 их диаметров, а также при выходе закрученного потока под уровень нижнего бьефа [3]. Потерю устойчивости с разрушением высокоскоростного потока и переход к стохастическому движению следует признать неприемлемыми для высоконапорных водосбросных сооружений.

Известны также вихревые водосбросы, в которых отводящий водовод выполнен коротким (длиной существенно меньше 50 его диаметров), при этом закрученный поток выбрасывается в атмосферу и приобретает в воздухе форму однополосного гиперболоида вращения [2, с.237, рис.16.6; 3, с.93, рис.3.20], напоминая этим струю, исходящую в атмосферу из-под конусного затвора. Такая форма выходящей свободной струи обусловлена не только закруткой потока, но и наличием в нем замкнутого на атмосферу вихревого жгута - воздушной полости диаметром 2r₀ с атмосферным давлением.

Отброс высокоскоростной струи от сооружения позволяет избежать описанных недостатков схемы с длинным отводящим водоводом, связанных с высокой динамикой при распаде течения в пределах проточного тракта, и погасить механическую энергию потока путем его аэрации и распыления в атмосфере, а также в месте падения в воронке размыва на дне нижнего бьефа. Такое выполнение водосбросного сооружения показано на фиг.1, где 1 - подводящий водовод, 2 - камера затвора, 3 - завихритель потока, выполненный в виде поворотных лопаток (аналогичных направляющему аппарату реактивной гидротурбины, показанных на фиг.2), 4 - гидропривод, 5 - обтекатель, 6 - короткий отводящий водовод, 7 - воздуховод, 8 - опорные колонны, 9 - свободная струя в виде однополосного гиперболоида вращения, 10 - вихревой жгут.

Однако на фиг.1 можно видеть, что низовая часть выходящей струи резко уходит вниз к подошве сооружения, что опасно подмывом последнего с его разрушением или потерей статической устойчивости. При правильно запроектированном водосбросе с сопряжением бьефов отброшенной струей воронка размыва должна располагаться на таком удалении от сооружения, при котором опасность его подмыва исключается.

Цель изобретения - повышение надежности и безопасности водосбросных и водоподпорных сооружений.

Указанная цель достигается тем, что выходной портал вихревого водосброса с выбросом закрученного потока в атмосферу снабжен струенаправляющим дефлектором, выполненным в виде косого или фигурного среза выходного сечения короткого отводящего водовода.

Рассмотрим работу простейшего струенаправляющего дефлектора, выполненного в виде косого среза выходного сечения отводящего водовода вихревого водосброса под углом α к горизонту (фиг.3). Пусть закрученный поток имеет вращение против часовой стрелки, нетрудно видеть, что в этом случае исключить сброс потока в сторону подошвы сооружения, можно, если его выпуск в атмосферу осуществить только в правом секторе выходного сечения в пределах по углу β от 0 до π. Это условие выполняется, если угол закрутки потока θ=arctg(u_θ/u_x) существенно превышает угол скоса выходного сечения α. Тогда закрученный поток, подойдя к косому срезу выходного сечения, начинает выбрасываться в атмосферу в его верхней точке. Часть потока, которая прошла верхнюю точку водовода непосредственно перед срезом, отсекается косой цилиндрической стенкой и, пройдя вдоль нее половину периметра, выбрасывается в атмосферу в его нижней точке. Другая часть потока, которая подошла к срезу, не пройдя верхней точки водовода, сбрасывается по косому периметру правого сектора выходного сечения (вид по А-А на фиг.4). Такой режим работы вихревого водосброса следует считать оптимальным (номинальным), при котором достигается симметричный относительно оси водовода выброс потока в атмосферу. Соотношение между углом скоса выходного сечения α и углом закрутки потока θ=arctg(u_θ/u_x), обеспечивающее указанный режим работы водосброса, определяется соответствующим расчетом и подлежит экспериментальному подтверждению. На фиг.5 в качестве дополнительного примера показан некий промежуточный режим работы водосброса

На фиг.6-10 показаны факелы распыла закрученного потока в атмосфере при различных режимах работы глубинного вихревого водосброса с отводящим водоводом диаметром 2R=6 м, длиной 5 калибров и углом скоса выходного сечения α=22,8 град. Расчеты выполнены при напоре Н=200 м и отметке дна нижнего бьефа относительно верхней точки среза выходного сечения Z_НБ=-40 м. При этом на фиг.6 показан режим работы водосброса при геометрической характеристике завихрителя [8] равной A=1,03, угол закрутки потока в выходном сечении на этом режиме составляет θ=33,5 град., пропускаемый расход Q=750 м³/с; на фиг.7 - А=1,68, θ=42,5 град., Q=560 м³/с; на фиг.8 - А=2,66, θ=50,4 град., Q=415 м³/с; на фиг.9 - А=5,18, θ=59,9 град., Q=250 м³/с; на фиг.10 - А=19,46, θ=72,2 град., Q=80 м³/с. Следует иметь в виду, что реальный факел распыла закрученного потока - это сплошная пространственная поверхность, на начальном участке при слабой аэрации представляющая собой водяной купол, поэтому визуальное представление его в виде отдельных струй условно. На фиг.11 пунктиром показаны горизонтальные проекции пятен (линий) удара свободных струй о дно нижнего бьефа, которые формируют общую воронку размыва (штриховая замкнутая линия); буквенные обозначения пятен удара соответствуют описанным режимам работы водосброса в их показанной последовательности. Точка «0» на фиг.11 соответствует отбросу потока при максимальной пропускной способности водосброса, равной Q=1200 м³/с, угол закрутки потока θ при этом равен нулю, выходящая струя имеет компактную форму и, не касаясь стенок водовода, выбрасывается в атмосферу.

На фиг.6 и 11 можно видеть, что при пропуске расхода Q=750 м³/с обеспечивается эффективный отброс потока от подошвы сооружения в виде веерного факела распыла на расстояние от 120 до 280 м, при этом пятно (линия) удара падающей свободной струи о дно нижнего бьефа имеет подковообразную форму, симметричную относительно оси сооружения. Протяженность линии сопряжения отброшенной веерной струи с дном нижнего бьефа составляет более 600 м. Для расчетного водосброса это оптимальный (номинальный) режим работы.

На режимах с большей закруткой потока и меньшей пропускной способности, которые имеют место во время регулирования вихревого водосброса (открытие - закрытие регулирующего затвора), факел распыла закрученного потока изменяет свою форму. На фиг.7-10 можно видеть, что при снижении открытия регулирующего направляющего аппарата линия сопряжения веерной струи с дном нижнего бьефа смещается вправо от оси сооружения, а дальность отброса струи плавно нарастает до 160-380 м.

При пропуске максимального расхода (Q=1200 м³/с) поток отбрасывается от подошвы сооружения по оси водовода в виде компактной струи, аналогичной струе, выходящей из-под игольчатого или кольцевого затворов, на расстояние 170 м (фиг.11 точка «0»).

Веерная форма свободной струи при выбросе закрученного потока в атмосферу, способствующая ее эффективной аэрации и распылению в воздухе, а также большая протяженность линии сопряжения отброшенной струи с дном нижнего бьефа, предотвращают образование существенных воронок размыва.

При вариантах с развернутым вокруг оси водовода косым срезом или при выполнении среза фигурным по любой пространственной кривой или ломаной линии факелы распыла потока будут иными. Это дает возможность широкого варьирования при проектировании выходных порталов вихревых водосбросов.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР №271382, кл. Е02В 8/06, 1970.

2. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.237, рис.16.6.

3. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Мордасов А.П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.45-48, рис.2.4-2.7.

4. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Куприянов В.П., Новикова И.С., Родионов В.Б., Ханов Н.В., Цедров Г.Н., Асташова И.В. Особенности движения воздухонасыщенного потока воды в высоконапорных вихревых водосбросах // Безопасность энергетических сооружений. 2010, Вып.17, с.236-251.

5. Животовский Б.А. Водосбросные и сопрягающие сооружения с закруткой потока. М., Изд-во РУДЫ. 1995, с 75-77, рис.36.

6. Зуйков А.Л. Устойчивость циркуляционно-продольного течения // Известия ВУЗов. Строительство, 2009, №11-12, с.77-86.

7. Зуйков А.Л. Гидродинамика циркуляционных течений. М., Изд-во АСВ, 2010, с.101-114, рис.1.17-1.20.

8. Ахметов В.К., Шкадов В.Я. Численное моделирование вязких вихревых течений для технических приложений. М., Изд-во АСВ, 2009, с.60-98.