Прогноз температурного состояния гидротехнических сооружений с применением программного комплекса Dam-3D

1/2П11 ВЕСТНИК

j/2012_мгсу

ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА DAM-3D*

THE FORECAST OF THE TEMPERATURE CONDITION OF HYDRAULIC ENGINEERING CONSTRUCTIONS WITH APPLICATION SOFTWARE PACKAGE DAM-3D

A. H. Белов, E.H. Горохов

A. Belov, Y. Gorohov

ННГАСУ

В статье приведены сведения о программном комплексе для выполнения температурных расчетов плотины и ее основания в трехмерных условиях с учетом работы замораживающей системы.

In the article data are resulted about software package for carrying out temperature accounts of the dam and foundation for three-dimensional conditions with the regard of the work of freezing system.

Строительство и эксплуатация гидроузлов в условиях крайнего севера имеют ряд известных особенностей. Основной из проблем эксплуатации таких сооружений является поддержание проектного температурного режима. Потому особенно важным является выявление оптимального проектного температурного режима на стадии проектирования сооружения.

Сегодня существует достаточно мощный математический аппарат по решению задачи прогнозирования температурного режима такого рода сооружений. Однако, практика эксплуатации показывает, что расчеты по эмпирическим зависимостям не дают результатов требуемой точности, а численные решения мало реализованы в виде программных продуктов.

В данной статье кратко представлено описание программного комплекса, позволяющего выполнять прогнозирование температурного режима грунтовых плотин речных гидроузлов.

* В статье приведены сведения, полученные в результате работ, выполняемых в рамках государственного контракта № П534 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Строительные технологии» в рамках мероприятия 1.2.1 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы»

Программный комплекс Dam-3D разработан авторами статьи. В основу комплекса положена математическая модель, в которой применены уравнения Фурье и Фурье-Кирхгоффа [1]. Комплекс состоит из четырех функционально независимых блоков: программы Dam-3D Grid - блока сортировки узлов трехмерной сетки твердотельной модели в среде ACAD; блока обработки данных сетки, представленного программой Dam-3D EDIT, вычислительного блока, представленного программой Dam-3D CALC, и блока графической обработки данных численного моделирования, представленного программой Dam-3D VIEW.

Моделирование температурного режима начинается с подготовки исходных данных. В виртуальной памяти компьютера требуется создать трехмерный объект моделирования. Чтобы этот процесс был наглядным для инженера-пользователя удобно трехмерный объект создавать в графической среде моделирования. Создание твердотельных моделей сооружения удобно выполнять в среде ACAD. Однако, сама твердотельная модель объекта должна быть разбита на фрагменты, пригодные для численных методов решения. Ввиду того, что в данном случае применяется метод конечных разностей, требуется твердотельную модель представить в виде узлов конечноразностной сетки. Именно эту задачу и решает программа Dam-3D Grid. Она осуществляет присвоение узлов предварительно разбитой на модели трехмерной конечноразностной сетки. Учитывая, что для моделирования температурного состояния изготавливаются три модели (модель инженерно-геологических условий, модель температурного состояния и модель граничных условий), то процесс разбивки моделей сеткой осуществляется три раза. Программа Dam-3D Grid создает три файла в каждом из которых содержится информация о координатах и свойствах каждого из узлов сетки. Затем данные поступают в программу Dam-3D EDIT.

Программа Dam-3D EDIT осуществляет структурирование и конвертацию полученных сведений о геометрии и температурном состоянии сооружения, а так же о граничных условиях решения задачи, кроме того здесь вводятся дополнительные условия, независящие от геометрии сооружения, такие как: среднемесячные температуры воздуха, воды в бьефах, графики колебания уровней воды в водохранилище, дата начала расчета и другие общие сведения. Так же здесь необходимо указать условия работы замораживающей системы, если таковая имеется. В качестве условий задаются такие параметры как коэффициент пропорциональности температур на входе в колонку и на выходе из нее, и тепловые потери. Затем эти данные поступают в программу Dam-3D CALC, где осуществляется выполнение задачи расчета температурно-криогенного режима исследуемого объекта на основе численного решения систем дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса совместно с краевыми условиями [1]. В результате работы программы Dam-3D CALC формируются файлы сеточных функций, в которых хранятся данные о температуре и льдистости грунтовых материалов исследуемого объекта, о пьезометрическом напоре и проекциях вектора скорости фильтрации воды в теле и основании плотины.

По окончании какого-либо этапа расчетов остается только прочитать полученные результаты с помощью программы Dam-3D VIEW, которая осуществляет графическую интерпретацию (представление) данных численного моделирования температурно-криогенного режима исследуемого объекта, полученных программой Dam-3D CALC, путем построения температурных профилей и векторных полей скорости фильтрации воды в требуемых расчётных сечениях трехмерной расчетной области. Программа Dam-3D VIEW позволяет осуществлять просмотр и анализ данных моде-

1/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

лирования независимо и параллельно (в режиме реального времени) с работой вычислительного блока Баш-ЗБ СЛЬС.

Данный программный комплекс был опробован при расчетах температурного режима Сытыканского гидроузла, где к расчету была принята псевдо трехмерная модель и при расчетах сооружений гидроузла на ручье Уэся-Лиендокит, республика Саха (Якутия).

Расчеты для Сытыканского гидроузла выполнялись с целью опробовать программный комплекс на возможность моделирования работы многорядной замораживающей системы с учетом температурно-фильтрационных процессов, протекающих в теле и основании земляной плотины [1]. Данная модель представлена на рис. 1. Фрагментом плана показано взаимное расположение воздушной и жидкостной замораживающих систем.

1 1

1ТЯ 'жрг

¿и * Ш--  - 1* 11чГ|! 1 г е- " > * ( ' -- / А

, 1/У .

Рис. 1. Модель инженерно-геологических условий тела и основания плотины Сытыканского гидроузла на реке Сытыкан

Полученные расчетным путем данные сравнивались с данными натурных наблюдений. Погрешность расчета составила 12,7%.

Расчет для сооружений гидроузла на ручье Уэся-Лиендокит выполнялся с применением более сложной расчетной схемы. В качестве начальных условий были смоделированы земляная плотина, водосброс и замораживающая система. При этом были рассмотрены различные режимы работы замораживающей системы: работа системы за счет собственных охладителей; работа при включенных вентиляторах охладителя; работа с подключением к замораживающей машине; полное отключение системы и прекращение замораживания. В расчете учитывается и процесс пропуска половодья через водосброс. Трехмерная твердотельная модель представлена на рис. 2. Результаты расчетов так же сравнивались с данными натурных наблюдений. Погрешность расчетов составила 6,17%.

Рис. 2. Модель инженерно-геологических условий тела и основания плотины гидроузла на ручье

Уэся-Лиендокит

Сегодня продолжаются работы по совершенствованию данного программного комплекса с целью расширения его возможностей по расчету и прогнозированию тем-пературно-фильтрационного режима земляных плотин криолитозоны.

Литература

1. Белов А. Н. Трехмерное математическое моделирование температурного режима грунтовых плотин в криолитозоне / А. Н. Белов, Е.Н. Горохов, 2010// Приволжский научный журнал: ННГАСУ, - Н.Новгород., 2010. - С 35-41.

Literatura

1. Belov A. N. Trehmernoe matematicheskoe modelirovanie temperatumogo rezhima grun-tovyh plotin v kriolitozone / A. N. Belov, E.N. Gorohov, 2010// Privolzhskij nauchnyj zhurnal: NNGASU, -N.Novgorod., 2010. - S 35-41.

Ключевые слова: мерзлота, теплообмен, математическая модель, программный комплекс.

Key words: congelation, heat-exchange, mathematical model, software package.

e-mail авторов: gs.belov@,mail.ru nn oif@yandex.ru

Рецензент: к.т.н. доц. В.И. Логинов