СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ПОТОКА В ОТКРЫТОМ КАНАЛЕ
OPEN CHANNEL FLOW CONTROL METHOD

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к устройствам гашения потока воды в открытых каналах.
Известен узел соединения отрытых водотоков, включающий подключенный к транзитному каналу поводящий канал и струенаправляющее устройство, выполненное в виде вертикальных стенок, при этом стенки установлены напротив подводящего канала в ряд, ориентированный вдоль транзитного канала, параллельно между сбой 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 узел 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 в сторону оси канала, а средний из них потоков делится растекателем и направляется навстречу боковым потокам. 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, который включает канал-быстроток с облицованными стенками и днищем и волногаситель, выполненный в виде вертикальных стенок, установленных параллельно стенкам канала-быстротока, между вертикальными стенками выполнен вертикальный продольный потоконаправляющий элемент в виде бычка длиной, большой длины вертикальных стенок, которые равны по высоте со стенками, 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 с 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 отток 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 центу 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 элемент 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 щит 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 потока (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, которую снабжают закрепленными поперечными под прямым углом перегородками с обводными каналами и конфузорами, которые сверху снабжены водопереливными закрепленными горизонтальными полками, причем каждый последующий конфузор имеет диаметр меньше предыдущего, а также кону, представляющий собой гасящий элемент. Кроме того, продолжение дополнительного канала с вертикальными стенками имеет конус, представляющей собой гасящий элемент перед входом в отводящий канал (транзитный), улучшающий режим работы 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 постоянно 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.
Задача, на решение который направлен предложенный способ управления режимом потока в открытом канале заключается в повышении эффективности гашения кинетической энергии потока за счет стабилизации волновых процессов перемещаемого потока, где должны учитываться такие условия входа воды в расширительную камеру гашения, ее составных элементов при перемещении воды по длине камеры гашения в отводящий канал с большими скоростями течения с волновыми поверхностными потоками, а также обеспечение относительно простого устройства в конструкцию сооружения.
Данные задачи достигаются 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 поперечными закрепленными под прямым углом перегородками с обводными каналами и конфузорами в виде коротких труб, закрепленных к дну камеры и снабженных сверху закрепленными водопереливными горизонтальными полками, причем каждый последующий конфузор имеет диаметр меньше предыдущего, а также конусный гасящий элемент, установленный в конце камеры гашения, выполненный в виде вертикального порога и имеющий изломанные в плане стенки, перекрытые сверху водопереливной горизонтальной полкой, обеспечивающий подпор в сторону последнего конфузора и, одновременно, направленное гашение кинетической энергии потока в сторону отводящего канала.
В предложенном способе перераспределение расходов воды в камере гашения происходит благодаря ее конструкции за счет многоступенчатой системы конфузоров (коротких труб), снабженными сверху водопереливными горизонтальными полками, и конфузоры закреплены к прямым перегородкам, выполненных с обводными каналами, в конце, которых закрепляют конус и, по всей его длине сверху закрепляют водопереливную изломанную горизонтальную полку. При этом каждый последующий конфузор имеет диаметр меньше предыдущего, а также конус с водопереливной стенкой с горизонтальной изломанной полкой, представляющие собой гасящий элемент. Затем после стабилизации волновых процессов поток перемещается через выходной участок, далее в отводящий канал.
Таким образом, расширяясь и сужаясь, сталкиваясь между собой, взаимно гася поперечные составляющие скорости при расщеплении его по длине камеры гашения. В целом эти потоки соединяются между собой, образуют безотрывное течение в отводящем канале по всей его 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 в конце конусного гасящего элемента, сверху перекрытого изломанного водопереливной полкой в сторону последнего конфузора, затем в сторону отводящего канала окончательно обеспечивает стабилизацию волновых процессов перемещаемого потока.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобной совокупностью существенных признаков при проведении поиска по научно-технической литературе и патентной документации заявителем не обнаружено.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид способа управления режимом потока в открытом канале; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Способ осуществляется в следующей последовательности. В канале-быстротоке с плоским дном между подводящим каналом 1 и отводящим каналом 2 для регулирования скоростного режима, выполняют расширяющуюся гасительную камеру 3, которую снабжают закрепленными поперечными под прямым углом перегородками 4 с обводными каналами 5, перегородки которые связаны с конфузорами 6, 7, 8 (короткими трубами) и снабженные сверху соответственно, водопереливными горизонтальными полками 9, 10, 11. Водопереливные горизонтальные полки 9, 10, 11 прикреплены жестко с одной стороны к верхней кромке стенки каждого конфузора 6, 7, 8, с другой стороны - сбоку к стенкам конфузоров прикреплены стержнями (не показано), позволяющими жестко крепить водопереливные горизонтальные полки 9, 10, 11, перекрывающих некоторую часть сверху оголовков конфузоров 6, 7, 8, вследствие этого, крепление горизонтальных полок 9, 10, 11 сохраняют устойчивость при прохождении бурного потока гася энергию, как в конфузорах 6, 7, 8, так и уменьшают поднятие вверх потока по длине трассы расширяющейся камеры гашения 3 и образование восходящих потоков и больших волнений.
Количество конфузоров 6, 7, 8 выполнено многоступенчатой системой и составляет более двух для лучшего обеспечения гашения кинетической энергии потока по трассе гасительной камеры 3, и количество их выбирают, исходя из максимального пропуска потока через гасительную камеру 3 и ее длины, причем каждый последующий конфузор 6, 7, 8 (короткие трубы) имеет диаметр меньше предыдущего, геометрические размеры подбираются расчетом (не показано).
Перед отводящим каналом 2 на переходном участке, дополнительно закрепляют конус 12 (гасящий элемент), обеспечивающий подпор потока в сторону последнего закрепленного конфузора 8 и направленное гашение кинетической энергии поступающего потока в сторону отводящего канала 2, причем конус 12, выполнен изломанным в плане вертикальным порогом, а сверху он перекрыт по всему периметру излома в плане водопереливными горизонтальными полками 13. Ширина изломанных в плане водопереливных горизонтальных полок 13 выбирается оптимально расчетным путем, т.е. геометрические размеры подбираются расчетом (не показано). В целом это создает благоприятные гидравлические условия в сечении на переходном участке растекающего бурного потока, и он поступает в отводящий канал 2, связанного с его шириной и расходных характеристик отводящего канала 2.
Способ управления режимом потока в открытом канале осуществляется следующим образом.
Поток воды, поступающий в расширяющуюся гасительную камеру 3, поступает в устройство, где происходит направленное гашение кинетической энергии поступающего потока за счет многоступенчатой системы конфузоров 6, 7, 8, закрепленных к дну камер 3 и к перегородкам 4, выполненных с обводными анналами 5. В результате чего большая часть кинетической энергии гасится, при этом при наличии сверху над стенками конфузоров 6, 7, 8 с водопереливными горизонтальными полками 9, 10, 11, при натекании части потока над конфузорами, формируют уменьшения поднятия вверх потока по оси гасящей камеры 3 и образование восходящих потоков и больших волнений при изменении общего расхода выше полок 9,10,11.
Поскольку в камере гашения 3 по трассе необходимо дополнительно увеличить подпор, соответственно уровень воды должен несколько увеличиваться по всей длине и ширине камеры гашения 3, то дополнительно на переходном участке перед отводящим каналом 2, закрепляют конус 12 с изломанными в плане стенками с водопереливными горизонтальными полками 13, тем самым существенно повышается эффективность управления потоком в отводящем канале и увеличивается его производительность с обеспечением уменьшения размыва отводящего канала 2.
Таким образом, за счет применения устройства гашения кинетической энергии поступающего потока из подводящего канала 1, обеспечивается простой монтаж многосекционной системы конфузоров 6, 7, 8 с их элементами сверху, что позволяет стабилизировать торможение последовательно некоторой части поток с подпором, соответственно, в конце гасительной камеры 3 с конусом 12 с изломанными вертикальными стенками, перерытыми сверху также изломанными в плане водопереливными горизонтальными полками 13, обеспечивая равномерность течения в плане на выходе в отводящий канал 2, а это также уменьшает возможность образование локальных размывов его дна, за счет упрощения компоновки устройства для регулирования скоростного режима в расширяющейся гасительной камере.
В целом изобретение расширяет функциональные возможности таких каналов-быстротоков на оросительных системах.