ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
56
НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ В КАНАЛАХ,
ОБУСЛОВЛЕННОЕ РАБОТОЙ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ
З.Ашуралиева
И.Ортиков
Ш.Назаров
Научно-Исследовательский институт ирригации и водных проблем
https://doi.org/10.5281/zenodo.13911418
В Узбекистане эксплуатируются такие крупные каналы как: Каршинский, Аму-
Бухарский, Зангский, Джизакский и другие, подача воды в которые осуществляется
крупными насосными станциями. Расходы воды, подаваемые этими машинными
каналами и мощность насосных станций – уникальны. Эксплуатация этих сооружений
вызывает необходимость постановки и решения сложных научно-технических задач.
Одна из них относится к гидравлическому расчету неустановившегося движения воды
в каналах, обусловленного случайной остановкой насосных агрегатов. Остановки,
связанные со случайными ситуациями на каскадах, вызывают порой катастрофические
последствия, при этом особое место занимают ситуации, связанные со случайным
отключением
электроэнергии
на
отдельных
насосных
станциях.
Они
непродолжительны, поэтому остановка всего каскада экономически нецелесообразна.
Тем не менее, за короткий срок, при котором производится повторное включение, в
канале происходит резкое изменение горизонта воды, что естественно вызывает
переполнение, затопление и разрушение гидротехнических сооружений.
Описание динамики изменения расхода и глубины воды в каналах основано на
использовании гипотез Сен-Венана. Разработано множество методов решения
уравнения неустановившегося движения, а также проведены соответствующие
экспериментальные исследования влияния нестационарной работы насосных
агрегатов и другого гидротехнического оборудования на уровенный режим в каналах.
Описанию же и решению уравнения движения воды в канале, возникающего вследствие
случайного изменения режима работы насосных станций, уделено недостаточно
внимания.
В предлагаемой статье приводятся математические описания неустановившегося
движения воды в канале, обусловленного случайным режимом и эксплуатацией
насосной станции в форме моментных уравнений.
Принимая гипотезы Сен-Венана [1,2] и, предполагая, что распределение скорости
в поперечном сечении близко к равномерному
1
,
1
, составляем уравнения
баланса расхода воды и изменения количества движения.
Рассмотрим участок канала между двумя насосными станциями: характер
движения воды полностью характеризуется режимом эксплуатации насосных
агрегатов. Обозначая продольную ось S для одномерного случая при S, S+ΔS, составили
баланс расхода воды между этими сечениями для моментов времени t, t+Δt
S
t
S
q
t
S
S
t
Q
t
S
t
Q
)
,
(
)
,
(
(1)
где:
t
S
t
Q
)
,
(
- количество воды, протекающее через сечение I-I в момент времени
t
;
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
57
t
S
S
t
Q
)
,
(
- количество воды, протекающее через сечение II-II в момент времени
t
;
t
S
q
- объем воды, забираемый насосными установками;
S
- объем воды в
отсеке между I-I и II-II.
При Δt→0, ΔS→0 из уравнения (1) получим
c
m
L
Q
q
q
S
Q
t
2
,
(2)
Применяем уравнение количества движения для принятой расчетной схемы
з
v
v
t
S
q
t
F
v
v
S
2
1
(3)
и, обозначая
2
1
, получим уравнение изменения средней скорости потока
з
q
S
F
t
(4)
где:
1
– средняя скорость потока в сечении I-I;
2
– средняя скорость потока в
сечении II-II;
ρ
– плотность воды;
ω
- площадь живого сечения;
F
– результирующая сила,
участвующая в изменении количества движения потока.
Следует отметить, что в классическом уравнении Сен-Венана предполагается, что
приток или отток имеет нулевую продольную составляющую скорость фактически для
придания водозабору продольной скорости
, требовалось изменение количества
движения, что приводило к замедлению или ускорению потока. В таком случае для
оттока воды при водозаборе через
,
обозначим продольную составляющую скорости
относительно скорости воды в открытом канале.
Исследуем отдельно слагаемые в уравнении (4), определяющие отток воды, общий
объем
ΔωΔS
, а также силу
F
, действующую на этот объем, рис. 1. Сила F состоит из:
S
t
S
S
S
p
Sin
S
g
F
(5)
разность проекций сил гидродинамического давления
p
P
1
)
(
2
dS
S
P
равны:
;
)
(
2
1
ds
S
P
dS
S
P
P
P
P
Изменение давления
Р
по длине очень мало, поэтому пренебрегаем членом
ΔР
t
S
t
S
S
R
)
(
sin
0
S
h
i
dS
dz
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
58
Рис
1.
Гидравлическая
схема
возникновения
неустановившегося
движения воды в канале, вызванного
остановкой НС-2
Рис 2. Гидравлическая схема
возникновения
неустановившегося
движения воды в канале, вызванного
режимом работы насосной установки,
расположенной вдоль канала
В общем виде силы сопротивления, проявляющиеся в потоке жидкости,
выражаются как:
f
f
SS
g
=
S
gRS
=
S
=
T
где: τ - касательное напряжение на стенке;
– смоченный периметр;
i
ƒ
=S
ƒ
–
гидравлический уклон.
На основе принятой гипотезы
gR
R
c
i
f
8
2
2
2
Тогда, учитывая все обозначения
R
c
S
g
S
v
v
S
S
h
i
S
g
F
2
2
0
)
(
(6)
где:
J
n
– уклон свободной поверхности;
i
f
-
уклон трения;
n
– коэффициент
шероховатости; λ – коэффициент трения.
Из уравнения (4) получим
)
(
|
|
)
(
2
0
з
q
R
c
g
S
g
S
h
i
t
(7)
Таким образом, уравнение, описывающее неустановившееся движение воды в
открытом канале имеет следующий вид
)
(
|
|
)
(
2
0
з
q
R
c
g
S
g
S
h
i
t
(8)
q
S
Q
t
Известно, что самыми распространенными формами сечения оросительных
каналов являются трапецеидальные.
Трапецеидальная форма сечения определяется шириной по низу
b
, глубиной
наполнения
h
, коэффициентом откоса и шириной по урезу воды
B
. При
b
=
0
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
59
трапецеидальная форма сечения переходит в треугольную, а при
m
=0 - в прямоугольную
форму сечения. Имея в виду
Q
, учитывая
S
Q
S
Q
Q
S
2
1
)
(
(9)
из системы уравнений (8) имеем
q
S
Q
t
g
Q
q
g
Q
q
R
c
Q
Q
t
Q
Q
t
Q
g
S
Q
S
Q
Q
g
S
h
i
з
,
|
|
1
1
1
1
2
2
2
2
2
0
(10)
При этом
S
h
mh
b
mh
bh
S
S
2
2
(11)
S
h
mh
b
t
2
Тогда (10) примет следующий вид
,
)
(
)
(
|
|
)
(
)
2
(
)
(
1
1
)
(
)
2
(
)
(
1
)
(
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
0
h
mh
b
g
Q
q
g
R
h
mh
b
c
Q
Q
t
h
h
mh
b
h
mh
b
Q
t
Q
h
mh
b
g
S
h
h
mh
b
h
mh
b
Q
S
Q
h
mh
b
h
mh
b
Q
g
S
h
i
з
S
Q
q
mh
b
t
h
2
1
(12)
Начальные состояния определяются, исходя из неустановившегося движения
воды в канале. Произведено численное решение (14) с использованием натурных
параметров
Каршинского
магистрального
канала.
Результаты
численного
эксперимента представлены в виде графиков (рис. 3 и рис. 4).
Рис. 3. Изменение горизонта воды в канале после остановки НС
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
60
Рис. 4. Изменение глубины потока вдоль канала после остановки НС-2
Вывод:
В результате проведенных исследований разработана гидравлическая
модель неустановившегося движения воды в канале с машинным водоподъёмом.
Полученные уравнения характеризуют динамику изменения
Q
и
h
в канале
трапецеидальной формы сечения при изменении режима эксплуатации насосных
станций. Установленная гидравлическая модель дает возможность программного
управления потоком воды в канале при возникновении аварийной ситуации.
References:
1.
Махмудов И.Э. О создании надежной системы питьевого водоснабжения в
населенных пунктах Республики Узбекистан //Журнал «Энергия ва ресурс тежаш
муаммолари».- Ташкент,2007. - №3-4.-С.126-127.
2.
Makmudov E.J., Makmudov I.E., Sherfedinov L.Z. Problems of water resource management
in Central Asia Transboundary Water Resources: //A Foundation for Regional Stability in
Central Asia.P.O. Box 17,3300AA Dordrecht, The Netherlands. Springer, 2007. -p.11-28.
