ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЧНОГО ПОТОКА
LABORATORY PLANT FOR RIVER STREAM MODELING

Изобретение относится к области гидравлических испытаний и касается лабораторных исследований  речного потока в зоне строительных сооружений.
Лабораторные методы исследования и гидравлическое моделирование давно и широко используются в гидротехнической практике при проектировании, строительстве и эксплуатации строительных сооружений (см., например, «Устройство для испытаний модели морского инженерного сооружения» по пат. РФ №2308397, МПК B63B  9/02, опубл. 20.10.2007; «Опытовый бассейн для испытаний моделей морских инженерных сооружений» по пат. РФ №2308397, МПК B63B  9/02, опубл. 23.07.1996).
Указанные аналоги предназначены для гидромеханических испытаний моделей судов и морских инженерных сооружений в неподвижной воде. Однако из-за отсутствия возможностей имитации движения потока, позволяющих оценивать влияние размещаемых в потоке конструкций на параметры течения, устройства не могут быть использованы для проведения гидравлических исследований в водотоках с движущейся водой.
Известна лабораторная установка для моделирования обтекания водой буксируемого тела по пат. РФ № 2 013 285, МПК B63B 9/02(2006.01), опубл. 1994.05.30. Установка  содержит гидролоток с днищем для размещения в нем модели обтекаемого тела, устройство регулируемой подачи воды, измерительную аппаратуру, включающую расходомер воды, тензометрические датчики и датчики давления. Устройство предназначено для определения гидродинамических нагрузок на обтекаемое тело.
Известна лабораторная установка для моделирования речного потока по пат. РФ № 82328, МПК G01M 10/00, опубл. 20.04.2009, предназначенная для исследования процесса распространения загрязнений различной природы в руслах исследуемых рек. Из известных решений указанная установка по технической сущности и назначению является наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели.
Установка содержит прямоугольную чашу, заполненную водой, регулируемые водосливы, водосбросную емкость и устройства моделирования поступления загрязнений в русло. Регулируемые водосливы и водосбросная емкость обеспечивают заданный расход воды. Измерение скоростного режима водотока обеспечивается замером скорости перемещения поплавка на заданных участках русла модели. Имитацию поступления загрязнений в русло реки осуществляют устройства моделирования в виде аэрозольного генератора или  бюретки с краном.
Недостатком устройства является отсутствие средств, позволяющих производить исследование параметров водного потока при возникновении на его пути препятствий в виде строительных сооружений.
По сравнению с прототипом предлагаемая установка позволяет решить задачу исследования в лабораторных условиях динамики речных потоков в районе размещения строительных сооружений.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в лабораторной установке для моделирования речного потока, содержащей (также как и прототип, открытый гидролоток, регулируемый водослив, водосбросную емкость и измерительную аппаратуру) в отличие от прототипа гидролоток выполнен с возможностью размещения в нем модели строительного сооружения, а измерительная аппаратура дополнительно включает устройство измерения уклонов водной поверхности, устройство измерения направлений, траекторий и скоростей поверхностных течений, устройство измерения скоростей течений в поперечном сечении потока, устройство измерения направлений и траекторий придонных скоростей течений, при этом выходы датчиков измерительной аппаратуры подключены к измерительно-вычислительному устройству. При этом геометрические размеры гидролотка и модели строительного сооружения, а также линейные характеристики водного потока (ширина и глубина потока) выбраны с учетом масштаба для пересчета указанных параметров на характеристики натурных объектов 1:100. При этом граничные (максимальные, минимальные и средние) значения расхода воды с учетом теории подобия пересчитываются с лабораторных значений на характеристики натурного объекта с масштабом 1:100000. При этом на стенку гидролотка нанесена сетка с отметками проведения лабораторных измерений, расположенными по длине и высоте гидролотка и согласованными с расположением отметок проведения натурных измерений. При этом устройство измерения уклонов водной поверхности выполнено в виде игольчатого тестера. При этом устройство измерения направлений, траекторий и скоростей поверхностных течений включает видеокамеру, установленную над гидролотком с возможностью фотофиксации визуализированных траекторий поверхностных течений потока. При этом устройство измерения скоростей течений в поперечном, продольном сечении и по глубине потока выполнено в виде гидрометрической микровертушки. При этом устройство измерения направлений и траекторий придонных скоростей течений потока включает видеокамеру, установленную над гидролотком с возможностью фотофиксации визуализированных траекторий придонных течений.
Разработка заявляемой установки проводилась на базе оценки физических факторов, определяющих ход исследуемых процессов и возможностей лабораторного моделирования. На основе таких оценок с использованием методов теории подобия были определены масштабы и характеристики модели. Геометрические масштабы предлагаемой установки определялись, исходя из оптимальных геометрических параметров гидравлического лотка, стремления к минимально возможному уменьшению геометрических размеров строительных сооружений (мостовых опор и судоходного пролета), необходимостью исключения влияния стенок лотка на гидравлическую структуру модельного потока и влияния измерительных приборов на скоростную структуру потока.
В результате была разработана лабораторная установка, одним из главных достоинств которой является обеспечение геометрического подобия модели и натуры, что при адекватном воспроизведении в ней скоростей и глубин водного потока обеспечивает возможность создания трехмерного подобия гидравлической структуры речного русла. Это, в свою очередь, позволяет решать поставленную задачу – определение в лабораторных условиях динамики речных потоков в районе размещения строительных сооружений.
Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленная задача - возможность исследования в лабораторных условиях динамики речных потоков в районе размещения строительных сооружений -решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области гидравлических испытаний не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии установки критерию «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где
на  фиг. 1 представлено схематическое изображение установки,
на фиг.2 – фотоизображение траекторий и направления движения потока, полученное методом фотофиксации движения светоотражающих поплавков,
на фиг.3 – фотоизображение траекторий придонных течений, полученное методом фотофиксации движения потоков, визуализированных черной краской.
Лабораторная установка представляет собой (фиг.1-3) открытый гидролоток 1, на дне которого размещается модель строительного сооружения 2 (фиг.2), выполненная в масштабе 1:100 к натурным размерам сооружения. Установка включает регулируемый водослив 3 (с насосом и треугольным водосливом), водосбросную емкость и измерительную аппаратуру (на рисунке не показаны). В состав измерительной аппаратуры входят: устройство измерения уклонов водной поверхности в виде игольчатого тестера, устройство измерения направлений, траекторий и скоростей поверхностных течений, включающее видеокамеру, установленную над гидролотком с возможностью фотофиксации движения светоотражающих поверхностных поплавков (фиг.2), устройство измерения скоростей течений в поперечном сечении потока в виде гидрометрической микровертушки 4, устройство измерения направлений и траекторий придонных скоростей течений, включащее видеокамеру, установленную над гидролотком с возможностью фотофиксации траекторий придонных течений, визуализированных черной краской (нигрозином), выпускаемой из точечного источника в различных придонных точках поперечного сечения (фиг.3). При этом выходы всех перечисленных устройств подключены к измерительно-вычислительному устройству.
Исходя из оптимальных геометрических размеров гидравлического лотка и параметров натурных объектов, было принято решение осуществить моделирование в едином плановом и вертикальном масштабе 1:100. С учетом одинаковости критериев подобия для натурного объекта и модели, определились масштабы расхода воды 1:100000.
Для проведения экспериментальных гидравлических исследований на лабораторной установке был воспроизведен фрагмент живого сечения речного потока Невы в районе существующего железнодорожного моста, включающего две мостовые опоры и судоходный пролет. В процессе исследований определялось влияние размещаемых конструкций на характер распределения скоростей движения воды на рассматриваемом участке речного потока. Для проведения лабораторных исследований была разработана сетка проведения измерений, состоявшая из 10 гидростворов, расположенных вдоль речного потока выше и ниже моста. Принятая сетка измерений была согласована с сеткой натурных измерений, проведенных осенью 2019 года на указанном участке, что позволило сравнить данные натурных и лабораторных исследований.
Для проведения исследований с помощью регулируемого водослива и водосбросной емкости устанавливался заданный гидрологический режим, тождественный режиму реки Невы на рассматриваемом участке. Проверка правильности установки расхода воды и скоростного режима потока осуществлялась замером скорости перемещения светоотражающих поверхностных поплавков на заданных участках модели русла.
После установки гидрологического режима проводились измерения следующих кинематических характеристик потока:
- отметок свободной поверхности воды и, следовательно, уклонов водной поверхности (измерения проводились игольчатыми тестерами с точностью измерения 0,1 мм);
- направлений, траекторий и скоростей поверхностных течений (измерения проводились методом фотофиксации камерой Canon 7D движения специально изготовленных разноцветных светоотражающих поверхностных поплавков);
- скоростей течений в различных точках поперечного сечения потока, распределенных по ширине и глубине потока (измерения проводились лабораторной микровертушкой);
- направлений и траекторий придонных скоростей течений (методом фотофиксации траекторий придонных течений, визуализированных черной краской (нигрозином), выпускаемой из точечного источника в различных придонных точках поперечного сечения потока).
Показания устройств измерительной аппаратуры в цифровом виде подавались на  измерительно-вычислительное устройство, с помощью которого строились графики распределения глубин и скоростей вдоль потока и в поперечных створах. По полученным графикам делались выводы о влиянии размещаемых в потоке строительных конструкций на параметры потока.
Изобретение было создано специалистами кафедры гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в ходе научно-исследовательских работ. Лабораторная установка была смонтирована на базе гидролотка Гидротехнической лаборатории Университета со следующими характеристиками: длиной русловой части – 40,0 м; шириной – 2,0 м; высотой стен – 0,8 м; возможным расходом воды – до 100 л/с. Сопоставление натурных и модельных исследований динамики речного потока показали соответствие абсолютных величин натурных и модельных параметров потока и подтвердило адекватность и готовность изготовленной модели к использованию для определения влияния проектируемых строительных конструкций на характер распределения скоростей движения воды на выбранном  участке речного потока.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».