Совершенствование головной системы питания судоходного шлюза с короткими обходными галереями

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. — 15,9 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 неёзатворов, 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.

Главным критерием при оценке работы шлюзованного участка является продолжительность периода прохождения его судном, которая определяется временем прохода судна через шлюз и временем ожидания шлюзования. Эти интервалы времени зависят от многих факторов и колеблются в широких пределах. Например, судно может пройти через шлюз без ожидания, либо в связи с очередью на шлюзование или малыми глубинами на порогах шлюза задержаться на несколько часов или суток (как на Городецком и Чайковском шлюзах).

Для удобства анализа время судопропуска через шлюз подразделяют на машинную и движенческую составляющие. Под движенческой понимают время на вход и выход из камеры шлюза. В основном эта составляющая зависит от габаритов пути и наличия лимита глубин на подходах к шлюзам. Машинная составляющая включает в себя группу временных отрезков в пределах которых происходит открытие/закрытие ворот и наполнение/опорожнение камеры шлюза. Эта величина имеет чисто техногенный характер и определяется работой механического оборудования шлюза.

Движенческую составляющую уменьшись весьма проблематично, так как габариты пути имеют ограниченные значения и не поддаются изменениям на действующих сооружениях, а уровни воды носят вероятностный характер. Поэтому более приемлемо сокращение времени судопропуска через шлюз путем изменения машинной составляющей. Наиболее значимыми в данном случае являются время наполнения и опорожнения камеры. Исследованием процесса наполнения камеры судоходного шлюза занималось большое количество ученых и в настоящее время он изучен достаточно полно. При этом сходный процесс опорожнения камеры затрагивался исследователями редко и изучен недостаточно.

Большинство шлюзов европейской части России имеют короткие обходные галереи для опорожнения камеры шлюза. В процессе опорожнения поток покидает основную камеру через короткие обходные галереи, расположенные в стенках нижней головы шлюза.

Традиционно исследования таких систем проводятся с помощью лабораторных экспериментов и при проектировании конфигураций галерей выбираются наиболее обтекаемые формы. Однако исследования на моделях имеют ряд недостатков, связанных с учетом масштабного фактора, и не всегда способны дать полную информацию о происходящем процессе. С учетом этого определенный практический интерес представляет исследование структуры потока через систему опорожнения с применением современных методов исследования, в частности математического 5 моделирования. Из опыта эксплуатации судоходных шлюзов известно, что при опорожнении камеры через обходные галереи в потоке образуются застойные (водоворотные) зоны. Эти зоны значительно сжимают живое сечение, следовательно, расход, проходящий через систему питания, снижается и увеличивается время опорожнения. Так же возникновение этих зон приводит к дополнительной динамической нагрузке на стенки галерей и сороудерживающие решетки, которая может привести к кавитации и ускоренному разрушению конструкций системы питания.

Не исследовались характер распределения расхода в выходных галереях нижнего бьефа. Поток с большой непогашенной энергией, попадая в нижний подходной канал шлюза, отрицательно воздействует на суда, ожидающие шлюзования, и может привести к значительному размыву самого канала. Неравномерное распределение потока при выходе в нижний бьеф, недостаточно плавное обтекание конструктивных элементов может открыть новые резервы ускорения процесса опорожнения камеры и увеличения пропускной способности судоходного сооружения.

Таким образом, главной целью работы является совершенствование конструкций системы питания шлюза с короткими обходными галереями. Для достижения поставленной цели планируется решение следующих задач: проанализировать современное состояние судоходных гидротехнических сооруженийвыполнить развернутые лабораторные исследования системы опорожнения камеры на модели типового шлюзаразработать математическую модель процесса опорожнения камеры судоходного шлюза и верифицировать её на соответствие экспериментальным даннымиспользуя разработанную математическую модель процесса опорожнения камеры шлюза, провести углубленный анализ гидродинамики потокаразработать рекомендации по улучшению структуры потока с целью увеличения пропускной способности судоходных сооружений и повышения безопасности их эксплуатации. б.

Основные результаты работы использованы при проведении исследований просадки судов и волновых явлений в нижнем подходном канале Чайковских шлюзов.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2009;2011 гг.) — научно-практической конференции Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций (2011 г.) — Нижегородских сессиях молодых ученых (2008;2012 гг.) — международных научно-промышленных форумах «Великие реки» (2008;2011 гг.) и международной научнопрактической конференции 8ТАЯ-2009: «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» (2009 г.).

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в тринадцати печатных работах, в том числе две в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК.

Публикации в рецензируемых ВАК изданиях.

1. Мильцын, Д. А. Совершенствование системы опорожнения шлюза / Д. А. Мильцын // Речной транспорт (XXI век). 2012. — № 1 (55). — С. 79−80.

2. Мильцын, Д. А. Динамика потока воды, возникающего при опорожнении камеры судоходного шлюза / Д. А. Мильцын // Инженерно-строительный журнал. 2012. — № 2 (28). — С. 61−67.

Публикации в других изданиях.

3. Мильцын, Д. А. Моделирование гидродинамики опорожнения камеры шлюза / Д. А. Мильцын // Материалы докладов. 13-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. — Н. Новгород, 2008. — С. 117−118.

4. Мильцын, Д. А. Перспективы исследования опорожнения камеры шлюза / Д. А. Мильцын //10 международный научно-промышленный форум «Великие реки 2008». Труды конгресса. — Н. Новгород: ННГАСУ, 2009. -С. 279−280.

5. Мильцын, Д. А. Планирование лабораторных исследований опорожнения камеры шлюза / Д. А. Мильцын // Материалы докладов. 14-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. -Н.Новгород, 2009. — С. 105−106.

6. Мильцын, Д. А. Лабораторные исследования процесса опорожнения камеры шлюза / Д. А. Мильцын, И. В. Липатов // 11 международный научно-промышленный форум «Великие реки 2009». Труды конгресса. Том 2. — Н. Новгород: ННГАСУ, 2010. — С. 34−36.

7. Мильцын, Д. А. Математическое моделирование гидродинамики процесса опорожнения камеры шлюза / Д. А. Мильцын // IV Международная научно-практическая конференция 8ТАК-2009: «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности». Материалы докладов. — Н. Новгород, 2009.-С. 38−39.

8. Мильцын, Д. А. Математическое моделирование лабораторных исследований системы опорожнения шлюза / Д. А. Мильцын // Материалы докладов. 15-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. — Н. Новгород, 2010. — С. 110−111.

9. Мильцын, Д. А. Лабораторные исследования опорожнения судоходного шлюза / Д. А. Мильцын // Материалы I межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». — С. Петербург: СПГУВК, 2010. — С. 27−32.

Ю.Мильцын, Д. А. Анализ гидродинамики процесса опорожнения камеры судоходного шлюза / Д. А. Мильцын, И. В. Липатов // 12 международный научно-промышленный форум «Великие реки 2010». Труды конгресса. Том 2. — Н. Новгород: ННГАСУ, 2011. — С. 61−63.

11.Мильцын, Д. А. Численное моделирование процесса опорожнения камеры судоходного шлюз / Д. А. Мильцын // Материалы докладов. 16-ая Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки.

П.Новгород. 2011. — С. 81−83.

12.Мильцын, Д. А. Численное моделирование лабораторных исследований структуры потока в коротких опорожняющих галереях судоходного шлюза / Д. А. Мильцын // Материалы II межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». — С. Петербург: СПГУВК, 2011. — С. 16−21.

13.Мильцын, Д. А. Обоснование модели турбулентности водного потока при численном моделировании процесса опорожнения камеры судоходного шлюза / Д. А. Мильцын // 13 международный научно-промышленный форум «Великие реки 2011». Труды конгресса. Том 1. -Н.Новгород: ННГАСУ, 2012. — С. 340−343.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Научные исследования, выполненные в диссертации, направлены на решение проблемы модернизации и повышения технико-эксплуатационных качеств процесса эксплуатации судоходных шлюзов, отработавших по 40−50 лет и более, а так же интенсификацию процесса судопропуска через судоходные гидротехнические сооружения. Для решения этой задачи автором был выполнен анализ существующих работ, связанных с проблемой судопропуска через шлюзованные участки, были проведены комплексные исследования процесса опорожнения камеры судоходного шлюза, включающие лабораторные исследования, а также создание математической модели потока жидкости, покидающего камеру судоходного шлюза. Исследования на численной модели позволили провести углубленный анализ гидродинамических явлений, возникающих в системе опорожнения, выявить ряд резервов для повышения эксплуатационных качеств шлюзов и разработать ряд рекомендаций по ускорению процесса судопропуска и модернизации существующих сооружений.

По результатам выполненных в диссертации исследований, автор считает необходимым выделить следующие моменты и отметить результаты, имеющие наибольшую научную и практическую значимость:

• В связи с выходом экономики из кризиса и активизацией производственной деятельности, вопрос интенсификации судопропуска и устойчивой работы судоходных гидротехнических сооружений становится всё более актуальным с каждым годом, причем одним из наиболее перспективных методов является модернизация существующих сооружений.

• Анализ работ, посвященных ускорению судопропуска через судоходные гидротехнические сооружения, показал, что процесс опорожнения камеры судоходного шлюза затрагивался исследователями достаточно редко, несмотря на то, что модернизация системы опорожнения может положительно отразиться на интенсификации судопропуска через шлюзованные участки при минимальных затратах.

• По результатам анализа современного состояния судоходных гидротехнических сооружений установлено, что более чем на половине от общего числа и на большинстве судоходных шлюзов, входящих в Единую глубоководную систему Европейской части России используется система опорожнения с короткими обходными галереями.

Проведенные в работе лабораторные исследования процесса опорожнения судоходного шлюза на базе современной теории планирования эксперимента позволили получить регрессионные зависимости времени опорожнения камеры от ряда аргументов. Это дало возможность как качественно выделить факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс опорожнения судоходного шлюза, так и количественно оценить влияние каждого фактора на исследуемый процесс. По результатам модельных исследований выявлено влияние конфигурации нижнего подходного канала на процесс опорожнения камеры шлюза.

В рамках диссертационной работы на основе дифференциальных уравнений Навье-Стокса разработана нестационарная турбулентная модель движения реального потока воды, возникающего в системе опорожнения судоходного шлюза. Для данной модели сформулированы критерии выбора расчетной области, граничные и начальные условия.

На базе опытных данных лабораторного эксперимента полуобратным методом выполнена верификация разработанной численной модели потока, показавшая её высокую точность и достоверность. Также показано, что наилучшим путем для её замыкания является использование высокорейнольдсовой к-£ модели турбулентности. Разработанная и верифицированная математическая модель адаптирована для расчетов систем опорожнения реальных судоходных гидротехнических сооружений. При этом проработаны методические аспекты реализации математической модели потока жидкости, а также вопросы её практической апробации. Для типовой конструкции системы опорожнения волжских шлюзов с короткими обходными галереями выполнена математическая модель процесса опорожнения камеры. По результатам расчетов проведен углубленный анализ гидродинамики потока воды в системе опорожнения, а так же выявлен ряд проблемных участков, с точки зрения гидравлики потока, покидающего камеру шлюза. Использование трехмерной математической модели потока позволило отказаться от учета масштабного фактора, сопутствующего лабораторным исследованиям и часто искажающего полученные данные, а также избежать доростоящих натурных испытаний, также ограниченных в получении полной информации о состоянии потока в любой точке системы опорожнения.

• Анализ результатов численного моделирования показал наличие вихревых зон в потоке в коленной входной части обходных галерей системы опорожнения, значительно сжимающих живое сечение потока и замедляющих процесс опорожнения.

• По результатам вышеописанного анализа разработаны рекомендации по снижению воздействия данных водоворотных зон на поток воды, покидающий камеру шлюза. В частности, рассчитаны изменения геометрических параметров входной части галерей с использованием прямолинейного среза по хорде и подобраны оптимальные величины углов среза входной части обходных галерей (20−25°).

• Применение предложенных конструктивных изменений системы питания позволяет сократить время опорожнения судоходного шлюза на 7−10%.

• Математическое моделирование позволило проанализировать гидродинамику потока на выходе из системы опорожнения судоходного шлюза в нижний подходной канал и показать недостатки некоторых применяемых в настоящее время типовых систем гашения энергии потока.

• Для типовой системы опорожнения с короткими обходными галереями были разработаны два варианта новой системы гашения энергии потока воды при выходе в нижний бьеф, расчеты которых показали их значительные преимущества перед используемыми в настоящее время. Предложенные схемы в ряде случаев способны на 40−55% снизить амплитуды волновых явлений в нижнем подходном канале при опорожнении камеры шлюза, что ведет к значительному улучшению как условий выхода судна из камеры шлюза, так и условий отстоя судов, ожидающих шлюзования, в подходном канале.