Ключевые слова: аэрация открытых потоков, критерий начала аэрации, ко-эффициент поверхностного натяжения, моделирование аэрированных потоков.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
169
Гидравлика. Инженерная гидрология. Гидротехническое строительство
170
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2013. № 5
носка-трамплина, явление гидравлического прыжка. Адекватное качественное
и количественное прогнозирование форм потери устойчивости водного потока
необходимо для улучшения условий эксплуатации и увеличения срока служ
бы проектируемых гидротехнических сооружений [5]. Воздухововлечение в
поток может значительно увеличить его глубину, что негативно сказывается
на работе безнапорных тоннелей (занапоривание), если степень аэрированно
сти водного потока и образование стоячих волн при расчете не учитывались.
Также при аэрации водного потока изменяется картина динамических нагрузок
на дно и стенки водосброса, что может повлечь за собой разрушение обделки
водосброса [6, 7].
При проектировании конструкций водосбросных сооружений для провер
ки тех или иных инженерных решений проводятся их лабораторные испыта
ния. Как показывают отечественные и зарубежные исследования, гидравли
ческое моделирование водосбросных сооружений согласуется с результатами
натурных наблюдений только при моделировании неаэрированных потоков.
Для сильно аэрированных потоков результаты натурных и лабораторных ис
следований существенно различаются, что снижает возможности проверки
проектных решений моделированием [8, 9].
Также при гидравлическом моделировании аэрированных потоков была
обнаружена «невоспроизводимость» процесса аэрации в лабораторных усло
виях, т.е. при соблюдении геометрического и динамического подобия аэрация
на модели не возникает. Таким образом, можно сделать вывод: при модели
ровании аэрированных водных потоков соблюдение геометрического и дина
мического подобия модели натурному объекту является необходимым, но не
достаточным условием возникновения аэрации.
Для определения начала возникновения аэрации наиболее широко исполь
зуемым является критерий Войнич-Сяноженцкого [10]:
22
22
16
a

2

где ρ и ρ
— плотность воды и воздуха;
— ускорение свободного падения;
σ — коэффициент поверхностного натяжения;
38,036,0
=
— константа
Кармана для неаэрированного потока;
— средняя скорость потока;
— ги
дравлический радиус;
— коэффициент шероховатости стенок водовода; y —
угол наклона дна водовода, т.е. начало аэрации связывается с некоторым значе-
нием числа Фруда
a
gh
, которое по критерию Войнич-Сяноженцкого
зависит от плотностей воды и воздуха, величины поверхностного натяжения
жидкости, угла наклона дна водовода, величины шероховатости стенок водо
вода, величины гидравлического радиуса (для широких каналов — глубины
потока).
Т.Г. Войнич-Сяноженцкий для определения критерия начала аэрации рас
сматривал процесс формирования и развития волн на поверхности потока.
171
Hydraulics. Engineering hydrology. Hydraulic engineering
Гидравлика. Инженерная гидрология. Гидротехническое строительство
4
описывает влияние соотношения работы силы по
верхностного натяжения и вертикальной пульсационной кинетической состав
ляющей энергии потока на величину числа Фруда, соответствующего началу
аэрации. Турбулентные вихри, обладающие кинетической энергией, переме
щаясь в верхних слоях движущейся жидкости, становятся причиной волно-
образования на поверхности потока. Силы поверхностного натяжения препят
ствуют вертикальному перемещению масс жидкости на поверхности потока,
создавая сопротивление для процесса волнообразования.
Исследуем степень влияния параметров, входящих в данную величину, на
значение данной величины, чтобы определить ее значимость в общей формуле
для определения критерия начала аэрации Войнич-Сяноженцкого.
Величины: ρ = 1000 кг/м³,
= 0,38,
= 9,81 м/с² в данном исследовании
известны и постоянны.
Рассмотрим зависимость выбранной величины от глубины потока при
трех различных значениях уклона дна канала:

(для широких потоков
Исходные значения для расчета:
σ = 0,036 Н/м (водные потоки с органическими примесями),
Результаты расчета приведены на рис. 1.
0,
1
0,
2
0,
3
0,
4
0,
5
0,
6
0,
7
0,
8
9
0,05
0,25
0,35
0,45



Рис. 1. График зависимости исследуемой величины от глубины канала при значе
ниях угла наклона дна канала 5°, 30°, 60°
Считая величину функции
) малозначимой при значениях менее 0,03,
что соответствует 3 % от единицы (формула (1)), и проанализировав график
(см. рис. 1), можно видеть, что величина поверхностного натяжения не ока
зывает значимого влияния на величину критерия начала аэрации при глубине
более 0,2 м (при ψ = 5°), 0,27 м (при ψ = 60°).
172
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2013. № 5
Рассмотрим зависимость выбранной величины от уклона дна канала при
трех различных значениях глубины потока:
4
Исходные значения для расчета:
s = 0,036 Н/м (водные потоки с органическими примесями),
Результаты расчета приведены на рис. 2.
0,
1
0,
2
0,
3
0,
4
0,
5
0,
6
0,
7
0,
8
0,
9
0,
50
,6
0,
70
,8
0,

0,05

0,1

0,2

0,5
Рис. 2. График зависимости исследуемой величины от уклона дна канала при зна
чениях глубины потока 0,05, 0,1, 0,2, 0,5 м
Из анализа рис. 2 видно, что при глубинах более 0,2 м значение уклона
практически не влияет на изменение значения исследуемой величины.
Рассмотрим зависимость выбранной величины от глубины потока при раз
личных значениях коэффициента поверхностного натяжения:
4
Исходные значения для расчета:
s = 0,036 Н/м (водные потоки с органическими примесями), 0,073 H/м
(дистиллированная вода при 20 °С),
Результаты расчета приведены на рис. 3.
173
Hydraulics. Engineering hydrology. Hydraulic engineering
Гидравлика. Инженерная гидрология. Гидротехническое строительство
0,05
0,15
0,25
0,45


Рис. 3. График зависимости исследуемой величины от глубины канала при значе
ниях коэффициента поверхностного натяжения 0,036, 0,073 Н/м
Анализ рис. 3 показывает, что значение функции
) можно не учитывать
при глубине более 0,22 м (s = 0,036 Н/м), 0,27 м (s = 0,073 Н/м).
Таким образом, результаты расчета показывают, что исследуемая величина
начинает зависеть от величин коэффициента поверхностного натяжения, укло
на дна водовода, а также влиять на значение критерия начала аэрации при рас
четных глубинах потока менее 0,2 м. Причем, например, при глубине 0,05 м,
которую можно реализовать в лабораторных условиях, значение исследуемой
величины велико и может иметь значения от 0,4 до 1,63 (согласно (4), (5)), что
в 1,52,5 раза увеличивает значение числа Фруда, соответствующее началу













\n



\n
gk
R













\r
Анализ проведенного расчета показал, что происходит существенное уве
личение влияния поверхностного натяжения на формирование потока в лабо
раторных условиях при малых глубинах. В натурных потоках кинетическая
энергия масс жидкости, перемещаемых турбулентными вихрями в поверх
ностных слоях потока, намного выше работы сил поверхностного натяжения,
поэтому процесс волнообразования и возникновения аэрации начинается при
более низких числах Фруда, чем в модельных потоках, в которых кинетическая
энергия вертикально перемещающихся масс жидкости сопоставима с величи
ной работы сил поверхностного натяжения, и необходима большая кинетиче
ская энергия для начала процесса аэрации.
Это объясняет «невоспроизводимость» явления аэрации открытых водных
потоков в лабораторных условиях при гидродинамической тождественности
их натурным аэрированным потокам.
174
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2013. № 5
Библиографический список
Слисский С.М.
Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических со
оружений. М. : Энергия, 1979. 336 с.
Lane E.Ω.
Entrainment of Air in Swiftly Flowing Ωater // Civil Engineering. February
1939. Vol. 9. No. 2. pp. 88—91.
Halbronn G.
Etude de la mise en regime des ecoulements sur les ouvrages a forte
pente, application au problem de l’entrainment d’air // La Houille Blanche. 1952. No. 3.
Брянская Ю.В., Остякова А.В.
Анализ условий возникновения критического
режима течения в широком открытом потоке // Вестник МГСУ. 2009. № 3. С. 190—194.
5. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. М. :
Энергоатомиздат, 1988. 624 с.
Богомолов А.И., Боровков В.С., Майрановский Ф.Г.
Высокоскоростные потоки
со свободной поверхностью. М. : Стройиздат, 1979. 347 с.
Dong Zhiyong, Ωu Yihong, Zhang Dong
Cavitation characteristics of offset-into-�ow
and effect of aeration // Journal of hydraulic research. 2010.
Vol
Скребков В.П.
Моделирование сбросных аэрированных потоков в комплек
се с энергогасящими сооружениями // Гидротехническое строительство. 2012. № 3.
Bombardelli
F.A.,
G.C., Rehmann
C.R., Rincón
L.E., Garc≥a
Modeling
and scaling of aeration bubble plumes: A two-phase �ow analysis // Journal of hydraulic re
search. 2007. Vol. 45. Iss. 5. pp.
Войнич-Сяноженцкий Т.Г.
Некоторые теоретические задачи гидравлики от
крытых русел и сооружений : автореф. дисс. . д-ра техн. наук. Тбилиси, 1962.
Поступила в редакцию в марте 2013 г.
Об авторах:
Павлова Ольга Викторовна
— аспирант кафедры гидравли
ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»
(ФГБОУ ВПО «МГСУ»)
, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected]
Боровков Валерий Степанович
— доктор технических наук, профессор, про
фессор кафедры гидравлики,
ФГБОУ ВПО «Московский государственный стро-
ительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»)
, 129337, г. Москва, Ярославское
шоссе, д. 26, (499)261-39-12, mgsu
[email protected]
Для цитирования:
Павлова О.В., Боровков В.С.
Анализ условий возникновения
аэрации открытых потоков // Вестник МГСУ. 2013. № 5. С. 169—175.
O.V. Pavlova, V.S. Borovkov
CONDITIONS OF FREE STREAM AERATION OCCURRENCE
The article represents an overview of conditions facilitating aeration of a stream.
The authors describe the spillway formation process that has enϕoyed poor attention of
researchers until now. The authors also consider the problems that accompany stimula-
The analysis is based on the Voynich-Syanozhentskiy criterion of aeration initiation,
which contemplates super�cial tension and the Froude number equivalent of the aera-
tion commencement. The intensity of the impact produced by the surface stress factor,
the �ow depth and the bottom slope of the water conduit on the Froude number are also
175
Hydraulics. Engineering hydrology. Hydraulic engineering
Гидравлика. Инженерная гидрология. Гидротехническое строительство
The analysis �ndings have proven that super�cial tension begins to produce a sub-
stantial effect on the aeration beginning criterion if the �ow depth is below 0.2 m, as in
this case the super�cial tension value prevents perturbations of the free surface. Liquid
masses concentrated in the upper layer of natural �ows having suf�cient depths have a
considerable kinetic energy which is suf�cient for the �ow to overcome the resistance of
super�cial tension forces. Laboratory modeling of free streams cannot assure suf�cient
depth values; therefore, the aeration process is not similar to the one of natural �ows.
The analysis performed by the authors makes it possible to adϕust conditions of hydraulic
aeration of free surface �ow, aeration beginning criterion, super�cial
tension factor, aeration �ow modeling.
1. Slisskiy S.M.
Gidravlicheskie raschety vysokonapornykh gidrotekhnicheskikh sooru-
[Hydraulic Analysis of High Pressure Hydraulic Structures]. Moscow, Energiya Publ.,
2. Lane E.Ω. Entrainment of Air in Swiftly Flowing Ωater. Civil Engineering. February
3. Halbronn G. Etude de la mise en regime des ecoulements sur les ouvrages a
forte pente, application au problem de l’entrainment d’air. La Houille Blanche. 1952, no. 3,
4. Bryanskaya Yu.V., Ostyakova A.V. Analiz usloviy vozniknoveniya kriticheskogo rezhi-
ma techeniya v shirokom otkrytom potoke [Analysis of Conditions for Emergence of the Critical
Mode of a Free Ωide Flow].
Vestnik MGSU
[Proceedings of Moscow State University of Civil
Gidravlicheskie raschety vodosbrosnykh gidrotekhnicheskikh sooruzheniy
[Hydraulic
Analysis of Hydraulic Ωater Intake Structures]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988, 624 p.
6. Bogomolov A.I., Borovkov V.S., Mayranovskiy F.G.
Vysokoskorostnye potoki so svo-
bodnoy poverkhnost’yu
[Free Surface High-velocity Flows]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1979,
7. Zhiyong Dong, Yihong Ωu, Dong Zhang. Cavitation Characteristics of Offset-into-�ow
and Effect of Aeration. Journal of Hydraulic Research. 2010, vol. 48, no. 1, pp. 74—80.
8. Skrebkov V.P. Modelirovanie sbrosnykh aerirovannykh potokov v komplekse s en-
ergogasyashchimi sooruzheniyami [Modeling of Aerated Over�ows Exposed to the Impact
of Energy Suppression Structures].
Gidrotekhnicheskoe stroitel’stvo
[Hydraulic Engineering
9. Bombardelli F.A., Buscaglia G.C., Rehmann C.R., Rincón L.E., Garc≥a M.H. Modeling
and Scaling of Aeration Bubble Plumes: a two-phase Flow Analysis. Journal of Hydraulic
10. Voynich-Syanozhentskiy T.G.
Nekotorye teoreticheskie zadachi gidravliki otkry-
tykh rusel i sooruzheniy
[Some Theoretical Problems of Hydraulics of Open Flow Beds and
Structures]. Tbilisi, 1962.
About the authors:
Pavlova Ol’ga Viktorovna
— postgraduate student, Department
of Hydraulics,
Moscow State University of Civil Engineering (MGSU)
26 Yaroslavskoe
shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Borovkov Valeriy Stepanovich
— Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor,
Department of Hydraulics,
Moscow State University of Civil Engineering (MGSU)
Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7
For citation: Pavlova O.V., Borovkov V.S. Analiz usloviy vozniknoveniya aeratsii otkry-
tykh potokov [Process Organization Design within the Framework of Construction Proϕects].
Vestnik MGSU
[Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 5,

Приложенные файлы

  • pdf 37653891
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 3

Добавить комментарий