Авторизация
Всасывающая камера — это ключевой элемент насосной станции, обеспечивающий подачу воды к рабочему колесу насоса с минимальными гидравлическими потерями и без возмущений потока. Неправильная конструкция может привести к кавитации, вибрациям, снижению КПД и сокращению срока службы оборудования.
Методы CFD и физические модели позволяют:
При проектировании рекомендуется учитывать:
Заключительные замечания Монографии:
Роберт Эттема
Кафедра гражданского и экологического строительства, Университет штата Колорадо, США.
E-mail: Robert.Ettema@colostate.edu
Дэвид З. Чжу
Кафедра гражданского и экологического строительства, Университет Альберты, Канада.
E-mail: dzhu@ualberta.ca
Закрученные потоки и возникающее вследствие них образование вихрей традиционно считались настоящими «врагами» водозаборных сооружений. Однако в конструкции вихревых водозаборных устройств этот «враг» намеренно превращается в союзника. Действительно, некоторые особенности закрученного потока и формирования вихрей являются желательными для определённых типов гидротехнических сооружений и при определённых режимах течения.
Генерация закрутки и вихрей увеличивает сопротивление потока локально или вдоль всего протяжения водовода. В одном из источников вихри, возникающие при закрутке потока, названы «корнем зла сопротивления» (Rouse, 1963). В нём же отмечается, что закрутка и образование вихрей являются естественным и повсеместным явлением в огромном диапазоне течений, где сопротивление потоку преобразуется, а затем рассеивается (например, в потоках, связанных с атмосферными процессами, и вплоть до течений в капиллярах пористых сред).
Закрученные потоки и вихри вносят в течение компоненты скорости, перпендикулярные к основному (или требуемому) направлению течения. Такие поперечные компоненты отбирают значительные объёмы энергии, которая в расчётном направлении течения считается потерянной. Проектировщики водозаборов, стремясь минимизировать потери энергии, стараются избежать или значительно снизить компоненты потока, перпендикулярные расчётному направлению, тем самым существенно уменьшая закрутку и образование вихрей.
Рост гидравлического сопротивления обычно означает увеличение размеров водозаборного сооружения или водовода, что, разумеется, приводит к росту стоимости. Распространённый приём проектировщиков — исключать или, по крайней мере, контролировать закрутку и образование вихрей путём обтекаемого оформления границ потока и обеспечения достаточной глубины погружения входа.
Множество книг и научных статей описывают судьбу энергии, расходуемой на формирование закруток и вихрей (например, только некоторые из них: Richardson, 1922; Hinze, 1959; Daily и Harleman, 1966; Reynolds, 1975; Munson и др., 2013).
Более того, вихри с воздушными карманами рассматриваются (например, Knauss, 1987) как возможный признак проблем с подводящим потоком для различных гидротехнических сооружений или гидромашин. Такие вихри уменьшают площадь водного сечения, поступающего во входное устройство, создают недопустимое распределение потока внутри водозабора и могут вызывать нежелательные вибрационные нагрузки на конструктивные элементы водозабора или оборудования внутри него (в частности, турбин и насосов), что в целом снижает расчётную эффективность гидротехнических сооружений или машин.
Закрутка и вихри могут ухудшать характеристики работы даже без вовлечения воздуха, так как неравномерное распределение потока способно привести к неполному использованию оборудования и чрезмерному износу. Однако, по интерпретации Hecker (1987, в Knauss 1987), наличие воздушного ядра во вихре скорее является индикатором недопустимой закрутки, чем самостоятельной проблемой: объём воздуха при этом относительно мал (2 % или менее по объёмному расходу согласно Padmanabhan, 1984).
Глава 2 описывает основы закрученных потоков и вихрей. Как указано в этой главе и в Главе 1, дополнительные сведения по теории можно найти в других учебных изданиях (например, в приведённых выше ссылках). Далее в главах 2 и 3 рассматриваются методы физического и численного гидравлического моделирования, которые обычно применяются для проектирования водозаборных устройств.
Проектировщики вихревых водозаборов используют в своих интересах основное свойство закрутки и образования вихрей — рассеяние энергии — при создании водопроводящих систем в условиях, где требуется резкое понижение потока через шахту сброса с более высокого на значительно более низкий уровень. В таких случаях, как объясняется в Главе 5, ключевыми факторами являются рассеяние энергии, ограниченность пространства, вовлечение воздуха и стоимость; при этом рассеяние энергии является необходимым условием, а пространство может быть весьма ограничено.
При наличии устойчивого воздушного ядра, образованного закрученным потоком в шахте сброса, количество воздуха, вовлекаемого в шахту, может быть значительно снижено. Как правило (хотя и не всегда), такие ситуации встречаются в городских условиях, где требуется быстрая откачка и последующее хранение и очистка ливневых вод, образующихся после непогоды. Хранение воды при этом иногда ограничено подземными резервуарами или условиями, при которых площадь, доступная для строительства резервуаров, крайне мала. Подвод потока к вихревым водозаборам обычно осуществляется через относительно узкий открытый канал, обеспечивающий прямолинейное течение к таким водозаборам.
Данная монография является обновлённой версией ценной работы под редакцией Knauss (1987) и показывает, как проектировщики используют закрутку и образование вихрей для транспортировки потоков в условиях водоотведения. В наши дни применение вихревых водозаборов для шахт сброса растёт быстрыми темпами, что и отражено в этой работе. С момента публикации Knauss (1987) использование таких водозаборов значительно увеличилось и, вероятно, будет продолжать расти в обозримом будущем. Современными движущими силами этого процесса являются развитие урбанизации и забота о сохранении благополучного состояния природной среды.
Входные устройства, подающие воду к гидротурбинам или насосам, должны быть спроектированы таким образом, чтобы сохранить как можно больше энергии подводящего потока. Для турбин цель проектирования заключается в извлечении максимума механической энергии из заданного расхода и напора. Для насосов — в передаче потоку минимально возможного количества механической энергии для достижения требуемых параметров. В обоих случаях задача состоит в том, чтобы минимизировать потери энергии подводящего потока.
Закрутка и образование вихрей могут быть нежелательными потребителями энергии потока, как это объясняется в главах 6 и 7 применительно к водозаборам для гидроэнергетики и насосов соответственно.
Глава 6 расширена, чтобы включить водозаборы как для погружённых водосбросов, так и для водосливов с профилем «огива» (ogee crest), поскольку входная часть водослива также является разновидностью водозабора. Обычно входной участок должен быть свободен от закрутки и связанных с ней вихрей, чтобы обеспечить равномерное распределение удельного расхода (расхода на единицу ширины) подводящего потока по всей длине гребня. Это особенно важно для корректного построения зависимости «уровень–расход» для гребня и обеспечения эффективного прохождения потока по водосливу. Во многих случаях особое внимание уделяется форме входного участка к гребню типа «огива» и очертаниям устоев, ограничивающих гребень.
Тем не менее, как отметил Хеккер в заключительной главе работы Knauss (1987), важно помнить, что «...обычно проблема заключается не в самом вихре, а в характеристиках потока ниже по течению, которые он создаёт». Ключевая фраза в этом утверждении, относящемся к вихрям в водозаборах для гидроэнергетики и насосов, — «характеристики потока ниже по течению». Здесь имеет значение расстояние вниз по потоку. Если это расстояние велико, то потери энергии во входном устройстве будут незначительными по сравнению с потерями от сопротивления потока в водоводе и локальными потерями энергии, связанными с поворотами, задвижками и прочими элементами.
Кроме того, если закрученный поток и вихри образуются достаточно далеко вверх по течению и не оказывают отрицательного влияния на равномерность распределения скоростей в горле насосной колонны, на подводе к турбине или на равномерность подачи воды на гребень водослива, их наличие не представляет проблемы. Разумеется, это верно лишь при условии, что образование вихрей не влечёт за собой нежелательных потерь энергии или необходимости дополнительного её ввода.
Монография IAHR Swirling Flow Problems at Intakes (Knauss, 1987) по-прежнему остаётся полезным источником. Она включает главы, написанные специалистами, находившимися на переднем крае своих тематических направлений, и поэтому содержит множество «вневременных» и ценных знаний о водозаборах. Настоящая монография обновляет работу Knauss (1987) на момент своей публикации. Среди обновлений — рассмотрение положительных аспектов вихревых водозаборов, специально спроектированных для воспроизведения нисходящего спирального течения вихрей, а также развитие и применение численных гидравлических моделей для проектирования таких водозаборов. Со временем численные модели становятся всё более распространённым инструментом при проектировании водозаборов любых типов.
Некоторые процессы (например, втягивание и удаление воздуха, отдельные аспекты турбулентности и брызгообразование) всё ещё в определённой степени остаются за пределами возможностей численных моделей, доступных проектировщикам водозаборов, и в таких случаях по-прежнему часто прибегают к физическому гидравлическому моделированию. В настоящей монографии также приведены обновлённые сведения по физическому моделированию, хотя и работа Knauss (1987) остаётся полезным справочным источником в этой области.
Закрутка потока и образование вихрей — это особенности течения, которые всегда привлекали внимание и продолжают вызывать интерес, хотя само слово «вихрь» нередко вызывает отрицательные ассоциации (например, водоворот или торнадо). В данной монографии показано, когда гидротехнические сооружения целенаправленно формируют вихревые потоки, а когда — напротив, должны минимизировать или полностью избегать таких течений.
Авторизация