СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ПОТОКА В ОТКРЫТОМ КАНАЛЕ
METHOD OF CONTROLLING FLOW MODE IN AN OPEN CHANNEL

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к устройствам гашения потока воды в открытых каналах.
Известен узел соединения открытых водотоков, включающий подключенный к транзитному каналу подводящий канал и струенаправляющее устройство, выполненное в виде вертикальных стенок, при этом стенки установлены напротив подводящего канала в ряд, ориентированный вдоль транзитного канала, параллельно между собой и под углом 20…30° к оси транзитного канала, причем стенки от подводящего канала в сторону оси транзитного канала выполнены с уменьшающейся высотой (Авторское свидетельство SU №1511329, Е02В 13/00 от 30.09.1989).
Недостатком данного устройства узла соединения открытых водотоков является различное не согласованное ориентирующее действие на выпуск потока непосредственно в транзитный канал, при котором отметка дна не совпадает с отметкой дна подводящего канала, т.е. узел работает на разных высотных отметках с перепадом колодца. Кроме того, узел соединения открытых потоков ориентирует принцип работы только на закручивание и соударение струй потока в сторону оси канала, а средний из них потоков делится растекателем и направляется навстречу боковым потоком. В результате этого в зоне местного сопротивления возникают энергоемкие вихри нестационарности, затягивающие время переходного процесса. Накопление энергии в вихрях нестационарности происходит в период переходного процесса. Эти вихри имеют доминирующее вращение в плоскости нестационарности в местном сопротивлении, получил название явления гидравлической индукции.
Таким образом, весь процесс происходит при установлении местного сопротивления определенной конфигурации. Вид местного сопротивления, так же как и форма гасителя, выбирается в зависимости от конкретной задачи.
Известен способ - гаситель энергии потока для открытых каналов, состоящий из формирования в открытом канале течений, причем течения формируют группой струенаправляющих элементов устройств, которое включает канал-быстроток с облицованными стенками и днищем и волногаситель, выполненный в виде вертикальных стенок, установленных параллельно стенкам кнала-быстротока, между вертикальными стенками выполнен вертикальный продольный потоконаправляющий элемент в виде бычка длиной, большой длины вертикальных стенок, которые равны по высоте со стенами, с обтекателем в нижней части, делящим на два рукава с равными входными поперечными сечениями, расположенным относительно концевых участков вертикальных стенок, причем стенка потоконаправляющего элемента по оси канала выполнена £ равной высотой канала, при этом боковые стенки канала выполнены с кольцевыми камерами гашения, а нижний конец вертикальных стенок снабжен плоским вертикальным затвором, шарнирно прикрепленным к торцу вертикальной стенки, расположенным диаметрально противоположно свободному промежутку между потоконаправляющим элементом, при этом концевой участок обтекателя имеет выпуклую форму, а боковые стенки канала дополнительно снабжены плоскими вертикальными затворами в виде выступов-ограничителей, обращенных к обтекателю (Патент RU №2551992, Е02В 8/06 от 18.03.2014).
Недостатком данного устройства является, хотя оно существенно снижает выходные скорости, то, что имеются большие потери напора в ниже размещенном водоводе, тем самым повышается наполнение канала, и необходимо будет наращивать надводный запас высоты борта канала непосредственно в узле гашения энергии потока. Кроме того, управление потоком обеспечивает в нижнем бьефе только дополнительно струенаправляющая система, выполненная в виде плоских вертикальных затворов с осями вращения, установленных напротив обтекателя, за которым поток вновь выходит общим потоком. Однако за выступом обтекателя образуется вакуумная зона, которая влияет на формирование соединения гидравлических струй, образуя общий поток по ширине отводящего канала (водовода). Эта структура формирования потока характеризуется внешними и внутренними границами гидравлической структуры струи, взаимодействующими за обтекателем, расположенным между дополнительной струенаправляющей системой, при этом она недостаточно эффективна в работе при слиянии двух потоков по центру водоотвода. Протяженность и направленность по активному течению потока еще недостаточно надежна, т.е. вне зоны расширения потока.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ управления режимом потока в открытом канале, предусматривающий канал-быстроток с облицованными стенками и днищем, где формируется зона влияния струенаправляющих элементов, установку вертикальных стенок, боковые стенки канала снабжены вертикальными щитами с возможностью поворота в виде выступов-ограничителей в сторону движения потока, при этом саму гидравлическую структуру формируют ниже по течению. Потоконаправляющие элементы выполнены посредством участка регулятора в виде поворотных щитов, одна вертикальная кромка которых закреплена на оси вращения, а другая кромка соединена с приводом их горизонтального перемещения и с направляющей с возможностью размещения в боковой нише, выполненной в боковой стенке канала, при этом угловое соединение щита с направляющей шарнирно соединено дополнительно с потоконаправляющими элементами в виде щитов, выполненных составными из среднего и боковых звеньев, соединенных посредством шарниров друг с другом, причем крайние боковые звенья каждого щитка шарнирно соединены с боковой стенкой канала в сторону струенаправляющей системы в виде вертикальных жалюзи, соединенных с приводом в сторону направления течения поток (Патент RU №2615337, Е02В 8/06, Е02В 13/00 от 04.04.2017).
Недостатком этой конструкции является сосредоточенный сброс воды по тракту транзитного канала в сторону растекания потока перед вертикальными жалюзи, что позволяет получить благоприятные гидравлические условия, но это, однако не связано со способом устройства гасителя потока, выполненного в виде расширяющейся камеры гашения, снабженными посредством дополнительного в середине канала, образованного поперечными двумя под углом перегородками с вертикальными продольными стенками на дне камеры гашения. Кроме того, продолжение дополнительного канала с вертикальными стенками имеет вертикальные водосливные стенки перед сопряжением их с выходным водосливным Г-образным порогом отводящего (транзитного) канала, т.е. на коротком участке расширяющейся камеры гашения, размещаются стационарные элементы гашения энергии потока, улучшающие режим работы его по сравнению с прототипом.
Известно, что поток по длине имеет достаточно большую скорость, как донную, так и поверхностную, и неравномерно распределяется в толще воды, т.е. гашение потока по высоте наполнения меняется, соответственно это связано со способом взаимосвязи с конструктивным решением с самим распределением воды, а это требует сложных расчетов в изготовлении с регулирующими потоконаправляющими элементами и их изготовления конструкции для разных наполнений в канале с большими скоростями воды.
Таким образом, для предложенного способа управления режимом потока в открытом канале - это упрощение самой конструкции в целом, где должны учитываться такие условия хода воды в расширительную камеру гашения, ее составных элементов гашения со своими просветами между вертикальными стенками, перегородками и водосливными порогами, соответственно перед входом потока в отводящий (транзитный) канал при переменных расходах в подводящем канале с большими скоростями течения с волновыми поверхностными потоками при выходе в отводящий канал.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением является повышение эффективности путем улучшения условия входа воды в расширяющуюся камеру гашения и повышения подпора дополнительно созданного канала по центру расширяющейся камеры гашения с гасительными переливными элементами, а также повышения эффективности работы в условиях переменных расходов воды.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления режимом потока в открытом канале, предусматривающий использование канала-быстротока с облицованными стенками и днищем, формирование в непосредственной близости от зоны влияния потоконаправляющих элементов, установку вертикальных стенок, гидравлическую структуру формируют по течению непосредственно между боковыми стенками канала, потоконаправляющие элементы выполняют посредством переходного участка, согласно изобретения, по трассе проточного облицованного канала устраивают гаситель потока, выполненный в виде расширяющейся камеры гашения, которую снабжают закрепленными поперечными двумя под углом перегородками, каждая из которых примыкает к одной из стенок прямоугольного канала в сторону продольной оси канала с вертикальными продольными стенками на дне камеры гашения, а нижний конец образованного дополнительного канала с входным участком являющимся продолжением вертикальных продольных стенок, после поперечных перегородок, выполняют, в условиях переменного расхода, вертикальными водосливными стенками, при этом в дополнительном канале с продольными стенками перед ним его снабжают водопереливными порогами, установленными поперек продольной оси дополнительного канала, причем последний сопрягают с выходным водопереливным Г-образным порогом отводящего канала.
Кроме того, конец дополнительного канала сужают, в месте которого формируется подпор и сжатие части потока, а затем расширяется перед сопряженным водопереливным Г-образным порогом отводящего канала.
Кроме того, начало продольных вертикальных стенок дополнительного канала в расширяющейся камере гашения, устанавливают с зазором перед выходом подводящего канала.
В предложенном способе происходит перераспределение расходов воды в камере гашения благодаря установленным в ней в ней дополнительного канала посередине его оси с вертикальными продольными стенками несколько удаленным от входа поводящего канала в расширяющуюся камеру гашения, снабженные вертикальные продольные стенки дополнительного канала на дне с примыканием к ним под углом двумя поперечными перегородками в сторону продольной оси канала и движения воды, соответственно, сужают центральную часть в дополнительном прямоугольном канале, при этом их стенки в сторону отводящего канала имеют продолжение, уменьшенной высоты и образуют вертикальные водосливные стенки перед сопряжением канала с выходным водопереливным порогом отводящего канала. В виду того, что подпор дополнительно еще возникает на входе в дополнительный канал, часть потока обходит его с внешней стороны вертикальных продольных стенок, т.е. растекается на несколько удельных расходов, скорость продвижения водосливными стенками, которые уменьшены по высоте и являются продолжением вертикальных продольных стенок дополнительного канала, которые снабжают в конце закрепленными двумя под углом перегородками к продольной оси канала, и каждая из которых примыкает к вертикальной стенке прямоугольного канала в конечной его части перед вертикальными водосливными стенками, являющимися продолжением стенок прямоугольного канала, а на дне перед каналом и в середине его закрепляют водопереливными порогами, установленных поперек дополнительного прямоугольного канала. Часть потока при этом получает подпор и за счет растекания в плане и в вертикальной плоскости, поворачивается в сторону движения с боковыми каналами, теряя при этом часть и избыточной кинетической энергии, т.е. со стороны внешних прямоугольных вертикальных стенок прямоугольного канала, а другая часть потока проходит в дополнительный сужающийся канал также с подпором потока, где происходит сжатие его, затем и соединение с переливающимися частями потока через вертикальны водосливные стенки, таким образом, и сталкиваясь между собой, взаимно гася поперечные составляющие скорости, остатки избыточной энергии потока, поступающего под сопряженный водопереливной Г-образный порог отводящего канала. В этой части камеры соединяющие струи образуют безотрывное течение в отводящем канале по всей ширине. Происходит дополнительный эффект гашения избыточной кинетической энергии воды во всех элементах по длине расширяющейся камеры, т.е. повышает равномерность течения в плане на выходе в отводящий канал. Установка водопереливного Г-образного порога, в виде образования горизонтальной полки в сторону дна отводящего канала после расширяющейся камеры, с учетом наличия криволинейной боковой стенки перед вертикальными водосливными стенками.
Исходя из вышеизложенного, автор считает возможным утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».
Графический материал, иллюстрирующий предлагаемый способ, представлен на следующих чертежах:
фиг. 1 - представлена схема способа управления режимом потока в открытом канале;
фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Способ осуществляется в следующей последовательности. Расширяющуюся камеру 1 гашения с перепадом дна, располагают между подводящим каналом 2 и отводящим каналом 3 с облицованными стенками и плоским дном. Расширяющуюся камеру 1 с перепадом дна, снабжают посередине дополнительным каналом 4, имеющим вертикальные продольные стенки 5 с имеющимися двумя поперечными перегородками 6 и 7, каждая из которых примыкает к стенке 5 дополнительного канала 4 под углом в сторону продольной оси канала 4, во входной части его выполняют на некотором расстоянии от входа подводящего канала 2 и внутри его поперечные водопереливные пороги 8. Разделительные вертикальные стенки 5, таким образом, образуют прямоугольный канал 4 с двумя под углом с перегородками 6 и 7 одинаковой ширины перед началом вертикальных водосливных стенок 9, являющимися продолжением стенок 5, и водосливные стенки 9 сопрягают с переходными криволинейными стенками 10, обращенных вогнутостью в сторону боковых каналов 11 и 12 одинаковой ширины, и расположенных перед входом в водопереливной Г-образный порог 13. Верх Г-образного порога 13 сопрягают с дном отводящего канала 3 в одной плоскости, который выполняют в виде горизонтальной полки 14 в верхней части над дном в конце расширяющейся камеры 1. Длина вертикальных водосливных стенок 9 зависит от соотношения пропорции распределения расхода перед входной частью прямоугольного канала 4 с вертикальными продольными стенками 5, в конце которых закрепляют две перегородки 6 и 7 под углом к продольной оси прямоугольного канала 4 с закреплением и на дне его (геометрические размеры подбираются расчетом не показано).
Способ управления режим поток в открытом канале осуществляется следующим образом.
Поток воды, поступающий в расширяющуюся камеру 1 из подводящего канала 2, после перепада без растекания в плане подводится вначале к поперечным водопереливным порогам 8, где донные слои потока тормозятся продвижением некоторой части, и образуют подпор (остановка части потока) перед прямоугольным каналом 4 с вертикальными стенками 5 и потеря части кинетической энергии, далее при наличии установки под углом двух поперечных перегородок 6 и 7, создающим сужение потока воды на выходе из прямоугольного канала 4, увеличивается подъем уровня воды, но продолжается движение воды посередине после перечных под углом перегородок 6 и 7. Кроме того, следует отметить, что образуется больший подпор в начале входа в прямоугольный канал 4 воды. Вследствие этого больше увеличивается поступление воды в боковые каналы 11 и 12 в сторону поступления к вертикальным водосливным стенка 9 стенкам, где вода переливается и поступает на дно камеры 1 перед водосливным Г-образным порогом 13 с горизонтальной полкой 14. При натекании части потока на поперечные перегородки 6 и 7, формирует одну горизонтальную струю, направленную прямолинейно в сторону Г-образного порога 13 с горизонтальной полкой 14, где он сталкивается с боковыми переливными частями воды, поступающими через водосливные пороги 9, взаимно гася поперечные составляющие скорости, остатки избыточной энергии потока, поступающие перед Г-образным порогом 13.
Поскольку в прямоугольном канале 4 происходит подъем уровня воды, а донные слои потока тормозятся при наличии установки перечных водопереливных порогов 8, увеличивается подпор в верхней части дополнительного прямоугольного канала 4, соответственно уровень воды в боковых каналах 11 и 12 также увеличивается по всей ширине, возникает движение воды в сторону вертикальных водосливных стенок 9, и как следствие, в конце канала 4 после перегородок 6 и 7 соударение потоков. Следует отметить, что возрастает гидродинамическое давление над Г-образным порогом 13 с горизонтальной полкой 14, где уменьшается поднятие верх потока по оси отводящего канала 3, а также предохраняет от распространения по отводящему каналу образование восходящих потоков и больших волнений при изменении общего расхода под полкой 14. Тем самым существенно повышается эффективность управления потоком в отводящем канале и увеличивается его производительность с обеспечением уменьшения размыва отводящего канала.
Таким образом, достаточно в условиях малого заглубления дна расширяющейся камеры гашения относительно ее дна с отводящим каналом, влияющего на условия производства работ, стоимость, предлагаемый способ предусматривает выполнение последовательных операций: установка на пути поперечных переливных порогов, а также двух уступов в виде поперечных перегородок под углом к продольной оси дополнительной прямоугольного канала, с примыканием перечных перегородок к стенкам дополнительного канала в концевой его части перед началом водопереливных вертикальных стенок. В конечном итоге происходит не только торможение и некоторая часть остановки потоков с подпором, но они взаимно гасятся в конце прямоугольного канал, обеспечивая равномерность течения в плане на выходе в отводящий канал, а это также уменьшает возможность образования локальных размывов его дна, за счет упрощения компоновки устройства для регулирования скоростного режима в расширяющейся камере.
В целом изобретение расширяет функциональные возможности таких каналов-быстротоков на оросительных системах.