Совершенствование головной системы питания судоходного шлюза с короткими обходными галереями

• Автор: Мильцын, Дмитрий Алексеевич
• Шифр специальности: 05.23.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 134 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СУДОХОДНЫЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ И НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ИХ ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ
1.1. Судоходные гидротехнические сооружения в современном транспортном комплексе
1.2. Проблема пропускной способности судоходных гидротехнических сооружений
1.3. Перспективы исследования систем опорожнения судоходных шлюзов
2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ОПОРОЖНЕНИЯ КАМЕРЫ ШЛЮЗА
2Л. Основные задачи лабораторных исследований и план
эксперимента
2.2. Лабораторная установка и методика проведения эксперимента до
2.3. Обработка данных лабораторных исследований
2.4. Определение гидравлических характеристик лабораторной модели судоходного шлюза
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССА ОПОРОЖНЕНИЯ КАМЕРЫ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА
3.1. Теоретические основы математического моделирования гидродинамики процесса опорожнения камеры шлюза
3.2. Технология численного моделирования процесса опорожнения камеры судоходного шлюза
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ОПОРОЖНЕНИЯ КАМЕРЫ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА
4.1. Особенности гидродинамики процесса опорожнения камеры судоходного шлюза
4.2. Исследования входной части коротких обходных галерей системы опорожнения шлюза
4.3. Исследования балок гашения системы опорожнения судоходного шлюза
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Водный транспорт является важной частью транспортной системы страны, активно способствуя развитию экономики. В силу комплексного использования естественных водных ресурсов, неотъемлемой составляющей внутренних водных путей стали судоходные шлюзы.
Судоходные шлюзы представляют собой сооружения, предназначенные для преодоления судами сосредоточенного напора воды, возникающего при строительстве плотин, гидроэлектростанций или при соединении каналами рек с разным уровнем воды.
К концу 80-х гг. XX века развитие воднотранспортных перевозок начали тормозить судоходные шлюзы, которые ограничивали пропускную способность гидротехнического сооружения. Этому способствовали длительные ожидание захода в камеру, транспортные пробки, что привело к серьёзным финансовым потерям грузоперевозчиков.
Структурные изменения в стране и спад в экономике в 90-х годах прошлого века дали лишь временную отсрочку в поисках путей решения вопроса интенсификации судоходства на шлюзованных участках.
В середине 90-х годов XX века произошел провал в навигации. Но к 2002-2003 году грузопотоки стали восстанавливаться. Так, в начале 90-х годов еженавигационно на Волге шлюзовалось порядка 48-50 тыс. судов, а в 1996 году их число уменьшилось до 38,2 тыс. В период с 1996 по 2002 г. наметился ежегодный устойчивый рост числа прошлюзовавшихся судов, который к 2003 г составил 54,4 тыс. и продолжается в настоящее время.
В восьмидесятых годах средний период прохождения судна через Волго-Донской судоходный канал (ВДСК) составляло 22,2 ч., в 1996 г. - 15
ч., а в 2004 г. - 25,0 ч. При прохождении судов через Волго-Балтийский водный путь (ВБВП) от Череповца до Санкт-Петербурга в 90-х г.г. XX в. требовалось трое суток, а в настоящее время не менее пяти, что ведет к потерям грузоперевозчиков более 600 млн. руб. в год. Аналогичная ситуация и в других бассейнах европейской части страны.
Наполнение и опорожнение камер шлюзов осуществляется при помощи разнообразных водопроводных устройств, составляющих систему питания шлюза водой. Работа любой системы питания шлюза заключается в основном во впуске в камеру и выпуске из нее воды (в размере сливной призмы) и их регулировании.
Системы питания судоходных шлюзов должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Система питания шлюза должна обеспечивать наполнение и опорожнение камеры в течение определенного времени, установленного в соответствии с заданной пропускной способностью шлюза.
2. Наполнение и опорожнение камеры должны происходить в течение заданного времени при удовлетворительных условиях отстоя и маневрирования судов в камере судоходного шлюза и ожидающих шлюзования в подходных каналах.
3. При многократном наполнении и опорожнении камеры не должно происходить повреждений отдельных элементов шлюза потоком воды (размывов дна камеры и подходных каналов, кавитационных явлений, вибрации водопроводных затворов и других).
Типовая система питания любого судоходного шлюза состоит из галерей - бетонных водоводов поперечного сечения порядка нескольких квадратных метров, предназначенных для пропуска большого расхода воды в камеру и выпуске из неё; затворов, служащих для перекрытия галерей и регулирования процессами наполнения и опорожнения камеры, и специальных гасительных устройств, предназначенных для снижения энергии потока воды.
Если бы вода могла подаваться системами питания в камеры шлюзов в течение всего периода их наполнения равномерно по всей площади камеры и таким же образом выпускаться из камеры при опорожнении, то при практически неразрываемых камерах и водопроводных системах шлюзов, наполнение и опорожнение камер могли бы происходить как угодно быстро.
На практике вода подается в камеру шлюзов при их наполнении и забирается из камер при их опорожнении в зависимости от качества системы питания более или менее неравномерно как по длине камеры, так и по времени. В результате этого в камере происходит неустановившееся движение воды, которое в свою очередь вызывает переменное по времени очертание ее свободной поверхности. Кроме того, в районе выпуска воды в наполняемой камере образуются местные гидравлические явления, связанные с гашением скорости и энергии поступающего в камеру потока.
Исходя из этого, главным лимитирующим фактором наполнения и опорожнения камеры является гидродинамическая сила, которая воздействует со стороны потока на суда, находящиеся соответственно в камере шлюза и в подходном канале. Для снижения этой силы используются специальные гасительные устройства, но их форма и размеры подбираются опытным путём, и они не всегда отвечают предъявляемым к ним требованиям.
Н«пь - глубина воды в камере шлюза;
Нк - глубина воды в нижнем подходном канале; а - степень открытия затворов галерей.

> ) 1 л: і : _ “ + - и ~ і

- ! Ф '1 і '

ТІ II ІІ
&і' %і+ ‘ Xj "1“ '
<к/ " Хі

(2.2)
Рисунок 2.1 - Расположение исследуемых факторов на лабораторной
модели
Исследуемый процесс опорожнения напрямую определяется
гидродинамикой потока, покидающего камеру шлюза. Традиционно, высокая
степень его турбулизации делает характер связи функции и аргументов
крайне нелинейным.
В связи с этим для аппроксимации данной функциональной
зависимости воспользуемся математической моделью в виде полинома
второй степени, имеющего общий вид:
п п п
7 = а° + X аі
І= 1 І—1,_/>1 І=1,]'=І
где У - функция отклика (время опорожнении камеры); х; - значение фактора (независимая переменная); аі - неизвестный параметр; п - количество факторов.
В выражение входят ненулевой член а0, члены вида ах, (линейная регрессия), члены вида (неполная квадратичная регрессия) и члены
аі-Хі (полная квадратичная регрессия).
В качестве плана эксперимента воспользуемся полнофакторным планом эксперимента [63]. Он построен таким образом, чтобы получить самые надежные результаты с наименьшим числом испытаний и наименьшими затратами времени. Число экспериментов определяется количеством факторов и может быть найдено по формуле:
N = 2+ 2- П + 1 (2.3)
где N - число необходимых экспериментов.
В нашем случае для трехфакторного эксперимента необходимо проведение пятнадцати опытов.