Узел соединения потоков
ASSEMBLY OF FLOWS CONNECTION

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а более конкретно к сооружениям для соединения потоков систем ливнезащиты территорий, стройплощадок объектов промышленного и гражданского назначения, размещаемых в сложных топографических и гидрологических условиях.
Известно сооружение для соединения потоков, включающее принимающий канал и концевой участок впускающего канала (Узел сооружений на оросительном канале. Методические указания. Ленинградский ордена Ленина политехнический институт имени М.И. Калинина. - Ленинград: - 1988)
Недостатком известного устройства является необходимость увеличения параметров принимающего канала и концевого участка впускающего канала в зоне соединения потоков, поскольку в узле соединения потоков происходит их взаимный подпор с ростом глубин, особенно при соединении бурных потоков, поскольку в зоне соединения потоков возникает еще и гидравлический прыжок со скачкообразным увеличением глубины обоих потоков.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является узел соединения потоков, включающий, подводящий и отводящий участки принимающего канала, сопряженные уступом, у которого снизу отводящего участка примыкает выходное сечение конечного участка впускающего водовода (А.С. СССР №896174).
Недостатком известного устройства является возникновение повышенных гидравлических потерь впускаемого потока, связанных с его ударом о противоположную стенку принимающего канала, что вызывает взаимное экранирование обоих потоков и как следствие, увеличение глубин потоков в узле соединения, что требует увеличение высоты стенок как принимающего канала, так и впускающего водовода.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении надежности работы и экономичности сооружения за счет исключения взаимного экранирования друг друга соединяемых потоков и полного использования избыточной энергии соединяемых потоков в узле соединения потоков, что позволяет обеспечить наиболее эффективное слияние потоков с энергетической точки зрения и дает возможность применять сооружение при любых углах трассирования впускающего канала.
Узел соединения потоков, включающий подводящий и отводящий участки принимающего канала с боковыми стенками и днищем, сопряженные уступом, к которому снизу к одной из боковых стенок отводящего участка принимающего канала примыкает выходное сечение конечного участка впускающего водовода, имеет уступ, выполненный в плане в виде кривой, концы которой расположены по касательной к соответствующим боковым стенкам впускающего водовода и принимающего канала, с вогнутостью, направленной в сторону впускающего водовода, а днище отводящего участка принимающего канала за пределами узла соединения потоков расположено ниже днища концевого участка принимающего канала на величину, равную разности глубин потока на отводящем и концевом участках принимающего канала, которые определяются расходными кривыми концевого и отводящего участка принимающего канала при пропуске максимальных расходов.
При такой конструкции узла соединения потоков обеспечивается плавный поворот впускаемого потока в соосное направление с потоком принимающего канала, что позволяет при контакте нижней поверхности потока принимающего канала и верхней поверхности впускаемого потока за счет турбулентного перемешивания плавно сформировать общую кинематическую структуру объединенного потока на отводящем участке принимающего канала с минимальными гидравлическими потерями энергии.
Причем только в совокупности представленных отличительных признаков проявляется заявленный технико-экономический эффект, являющийся не простой суммой эффектов от наличия представленных признаков, а существенно большим, объясняемым совместным учетом взаимовлияния сечений и взаиморасположения всех трех элементов гидросооружения при пропуске максимальных расходов жидкости. Это объясняется учетом известных физических явлений при взаимодействии потоков жидкости в узле их соединения: при поступлении воды из впускного водовода его поток заполняет подструйное пространство потока принимающего канала за уступом, поворачивая при этом его вниз по течению, в процессе чего верхние слои впускаемого потока будут смешиваться с нижними слоями потока принимающего канала, образуя единый поток. В зависимости от соотношения скоростей впускаемого и принимаемого потока, в зоне их контакта за счет турбулентной диффузии начнет происходить выравнивание скоростей и формирование кинематической структуры объединенного потока, соответствующей равномерному режиму движения воды за узлом соединения потоков. При выполнении уступа в плане в виде кривой, с сопряжением концов ее концов по касательной к соответствующим боковой стенкой впускающего водовода и стенкой отводящего участка принимающего канала, соединение потоков принимающего канала и впускающего водовода будет происходить с минимальными потерями и без волнообразования, что обеспечивает возможность выполнения боковых стен принимающего канала с минимальной высотой. Чем и достигается новый положительный. причем синергетический эффект.
Общими с прототипом признаками являются:
подводящий и отводящий участки принимающего канала,
принимающий канал выполнен с боковыми стенками и днищем,
участки канала выполнены сопряженными уступом,
к уступу снизу к одной из боковых стенок отводящего участка принимающего канала примыкает выходное сечение конечного участка впускающего водовода.
Отличительными признаками являются:
уступ выполнен в виде кривой, концы которой расположены по касательной к соответствующим боковым стенкам впускающего водовода и принимающего канала,
с вогнутостью, направленной в сторону впускающего водовода,
днище отводящего участка принимающего канала за пределами узла соединения потоков расположено ниже днища концевого участка принимающего канала на величину, равную разности глубин потока на отводящем и концевом участках принимающего канала.
Устройство поясняется чертежами, представленными на фиг. 1, 2 и 3.
На фиг. 1 показан план узла соединения потоков, на фиг. 2 вертикальный разрез по А-А фиг. 1 впускающего водовода, на фиг. 3 изображен разрез по В-В фиг. 1.
Узел соединения потоков (фиг. 1) включает концевой участок 1 и отводящий участок 2 принимающего канала, образованный общими боковыми стенками 3 и 4 и днищем 5 концевого участка 1 и днищем 6 отводящего участка 2, которые образуют уступ 7 понижением 8 днища 6 отводящего участка, к которому снизу одной из боковых стенок, например 3, примыкает впускающий водовод 9. Профиль понижения 8 днища 6 отводящего участка 2 выполняется по форме придонной границы вальцы, образующегося за уступом 7 при пропуске максимального расхода принимающего канала и отсутствии впускаемого потока. Впускающий водовод 9 имеет выходное сечение 10 в стенке 3 принимающего канала. Высота выходного сечения 10 равна высоте уступа 7, который является продолжением соответствующей боковой стенки впускающего водовода 9. В плане уступ выполнен криволинейным, один конец которой сопрягается по касательной со стенкой 11 подводящего водовода, расположенного выше по течению потока принимающего канала, а второй конец сопрягается по касательной с другой боковой стенкой 4 отводящего участка канала 2, а вогнутость кривой линии, по которой очерчивается в плане уступ 7, направлена в сторону выходного сечения 10 впускающего водовода 9. Впускающий водовод может быть выполнен в виде канала, либо в виде трубы (фиг. 2), где показана обратная засыпка 12 над водоводом 9. Днище 6 отводящего участка 2 за пределами узла соединения потоков расположено ниже днища 5 концевого участка 1 на величину 13, равную разности глубин потока на отводящем участке 2 и концевом участке 1, которые определяются расходными кривыми концевого участка 1 и отводящего участка 2 при пропуске максимальных расходов.
Работает узел соединения потоков следующим образом. От потока воды в концевом участке 1, при отсутствии потока во впускном примыкающем водоводе 9, под потоком в начале отводящего участка 2 принимающего канала за уступом 7 образуется донный валец, который формирует нижнюю поверхность потока, которая замыкается на поверхности днища 6 отводящего участка 2 в конце понижения 8. При поступлении воды из впускного водовода 9 его поток заполняет подструйное пространство потока принимающего канала за уступом 7, поворачивая при этом вниз по течению, в процессе чего верхние слои впускаемого потока будут смешиваться с нижними слоями потока принимающего канала, образуя единый поток. В зависимости от соотношения скоростей впускаемого и принимаемого потока, в зоне их контакта за счет турбулентной диффузии начнет происходить выравнивание скоростей и формирование кинематической структуры объединенного потока, соответствующей равномерному режиму движения воды за узлом соединения потоков. При выполнении уступа 7 в плане в виде кривой, с сопряжением ее концов по касательной к соответствующим боковой стенкой 11 впускающего водовода 9 и стенкой 4 отводящего участка 2 принимающего канала, соединение потоков принимающего канала и впускающего водовода будет происходить с минимальными потерями и без волнообразования, что обеспечивает возможность выполнения боковых стен принимающего канала с минимальной высотой. Днище 6 отводящего участка 2 располагается ниже днища 5 концевого участка 1 на величину разности глубин потока на отводящем 2 и подводящем 1 участках принимающего канала при равномерном режиме движения воды. Это дает возможность выполнения боковых стен принимающего канала с минимальной высотой и с минимальными конструктивными изменениями.