Избранное из магистерской диссертации на тему:

“Исследование и разработка электронной системы контроля расхода и уровня заполнения воды в канале "Северский Донец - Донбасс“”.

 

ВВЕДЕНИЕ

Задачей гидроаэрофизических измерений является определение макроскопических параметров состояния жидкой, газообразной или плазменной среды: механических, электрических, теплофизических, оптических и др. Их используют при исследовании океана и атмосферы Земли, их структуры, динамики и процессов взаимодействия; при решении задач метеорологии и защиты от загрязнения среды обитания; при создании самой различной техники: в авиации, кораблестроении, энергетике, двигателестроении; при осуществлении множества технологических процессов; проведение гидрологических, геофизических, космических, медико-биологических исследований, исследований в области физики плазмы, химической кинетики и т.д.

В настоящее время трудно найти область экспериментальных исследований и промышленного производства, область техники, где в той или иной мере не проводились бы гидроаэрофизические измерения.

Различны цели измерений и требования к их точности, временному и пространственному разрешению; крайне различны условия эксплуатации измерительных приборов и технические требования к ним. Все это приводит к тому, что в настоящее время уже существует множество методов измерений и измерительных приборов, используемых для исследования и технических целей. Однако и сегодня разработка новых методов измерений, создание новых гидроаэрофизических измерительных приборов является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений, в котором работают исследователи и инженеры самых различных специальностей.

При проведении гидроаэрофизических измерений определяют макроскопические параметры жидких и газообразных сред. Основными параметрами являются плотность, давление, температура и скорость движения среды. При этом целью измерений является, как правило, нахождение не только средних параметров, но и характеристик их флуктуационных составляющих, вызванных турбулентностью среды, а также другими динамическими явлениями.

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА КАНАЛА

1.1 Общие понятия и определения

Расходом жидкости называется объем ее, проходящий в единицу времени через живое сечение.

Величину расхода принято обозначать буквой Q. Размерность: Q = L3/t, [м3/с].

Если через dw обозначить элементарную часть площади живого сечения, которое в общем случае представляет собой криволинейную поверхность, то величина элементарного расхода, проходящего через площадку dw , выразится так: dQ = u× dw .

Поскольку скорости u в разных точках живого сечения различны, то величину Q, исходя из вышенаписанного, можно представить в виде:

,

где интеграл берется по всей площади живого сечения w (в общем случае криволинейного).

Рассмотрим понятие “средняя скорость”. Как только что было отмечено, скорости течения u в разных точках живого сечения могут быть различны:

u1 ¹ u2 ¹ u3 ¹ u4 ¹ …

Имея это в виду, для упрощения расчетов вводят понятие средней для данного живого сечения скорости течения. Эту скорость (фиктивную, в действительности не существующую) принято обозначать через v.

 

 

Величина v определяется соотношением:

v = Q/w или ,

откуда и ясен ее смысл.

Как видно, v есть гидравлическая характеристи-ка потока в данном живом сечении.

Величина расхода Q для данного живого сечения согласно вышенаписанного тогда будет определяться по следующей формуле: Q = w v.

Необходимо также отметить, что понятием средней скорости v пользуются только в случаях параллельноструйного и плавно изменяющегося движения, когда оперируют плоскими живыми сечениями.

Также необходимо рассмотреть понятие “эпюры скоростей”. Будем рассматривать поток, имеющий плоские живые сечения; наметим на рис.1 вертикаль MN, принадлежащую одному из живых сечений потока. Покажем векторами u1, u2, u3 … действительные скорости течения в различных точках этой вертикали.

Рисунок 1 – Эпюра скоростей.

Соединив концы этих векторов линией АВМ, получим фигуру ABMN, которая представляет характер распределения скоростей u по вертикали. Эта фигура называется эпюрой скоростей или профилем скорости (построенной в данном случае для вертикали MN).

Обозначим ее площадь через W и представим себе далее, что канал на рис.1 имеет прямоугольное поперечное сечение шириной b, причем эпюры скоростей для любых вертикалей, взятых в плоскости рассматриваемого живого сечения, одинаковы. В этом случае величина W b дает расход:

Q = W b;

величина же W , т.е. площадь эпюры скоростей, численно равна расходу, приходящемуся на единицу ширины канала:

W = Q/b.

Проведем на рис.1 линию CD с таким расчетом, чтобы площадь полученyого прямоугольника CDMN равнялась W . Ясно, что ширина этого прямоугольника даст величину средней скорости v.

В действительности эпюры скоростей для различных вертикалей MN не везде будут одинаковыми (с приближением к берегам скорости уменьшаются). Поэтому в действительности “эпюра” скоростей, построенная для всего живого сечения канала, будет представлять собой некоторое пространственное тело (объем которого даст величину Q).

1.2 Определение расхода жидкости в канале методом “скорость-площадь”

Метод “скорость площадь” получил очень широкое распространение в гидрометрии для измерения расхода в каналах и реках. Применяют его также для градуировки и поверки средств измерений расхода в гидромелиоративных системах и некоторых гидрометрических сооружений, используемых для измерения расхода.

Сущность метода “скорость-площадь” сводится к определению расхода жидкости путем суммирования элементарных расходов по площади сечения канала. При этом элементарные расходы вычисляются как произведение площадей отсеков, на которые разбито измерительное сечение, на значение средних скоростей в пределах отсека:

Q = å qk = å (Fx,vx).

Расстояния между скоростными линиями (скоростными вертикалями) принимают равными:

Ширина канала по дну, м

Максимальное расстояние между вертикалями, м

< 2

0.2 - 0.25

2 - 5

0.25 – 0.5

5 - 10

0.5 - 1

10 - 25

1 – 2.5

Число точек установки датчиков измерения скорости на вертикалях следует принимать по таблице 1.

Таблица 1 – Расположение точек измерения скорости на вертикалях.

Глубина потока на вертикали, м

Число точек из-мерения скорости

Координаты точек измерения (при отсчете от дна канала)

гидрометр. вертушками

трубками Пито или микроверт.

< 0.3

1

3

0.4h

0.3 –0.6

2

5

0.2h; 0.8h

0.6 - 1

3

5

0.2h; 0.4h; 0.8h

> 1

5

-

dл от дна, 0.2h, 0,4h, 0.8h, dл от пов.

где dл – диаметр лопастного винта или трубки Пито (или в данном случае – диаметр ПИП).

Примеры расположения точек измерения скорости в прямоугольном и трапецеидальном приведены на рис.2. измерительный створ должен быть расположен в прямолинейном участке канала.

Рисунок 2 – Расположение точек измерения скорости в поперечных сечениях каналов.

На этом участке движение должно быть установившимся и равномерным, уклон дна – постоянным. Выше измерительного створа на расстоянии не менее 10В (В – ширина канала) не должно быть изгибов канала, сужений и других препятствий, вызывающих искажение поля скоростей потока. Дно и стенки участка, на котором расположен измерительный створ, должны быть неразмывными, например, железобетонными.

Измерение скоростей необходимо производить так, чтобы по возможности исключить погрешности за счет турбулентности потока, что достигается увеличением времени измерения и количества измерений (не менее 25с. и 3-х измерений в одной точке).

Расход жидкости вычисляют по результатам измерений, используя формулу:

Q = 0.5kv1h1b0+0.25(v1+v2)(h1+h2)b1 + … +0.5kvnhnbn,

где k – коэффициент скорости для пристеночных вертикалей (для бетонных каналов k=0.9); v1…vn – средние скорости по вертикали; b0,bn – расстояния от урезов жидкости до скоростных вертикалей; b1…bn-1 – расстояния между вертикалями; h1…hn-1 – глубина на вертикалях.

Согласно стандарта ИСО 748-73, средние скорости на вертикалях вычисляют по соотношениям:

при изм. в 2-х точках – vb=0.5(v0,2+v0,8);

3-х точках - vb=0.33(v0,2+v0,4+v0,8);

4-х точках - vb=0.1(vпов+3v0,4+3v0,8+2v0,2+vдон), где индекс при v указывает, к какой точке по вертикали относится эта скорость.

При измерении в одной точке на вертикали vb=v0,4.

Измерение скоростей на вертикалях производят при постоянном расходе жидкости или при постоянном уровне. В реальных системах водоотведения и мелиорации такие условия часто бывает трудно обеспечить. Если колебания невелики (до 0.05-0.07h), то скорости, перед тем как вычислить расход, приводят к одному уровню, при котором определялась скорость в первой точке на первой вертикали. Приведение при малой разнице в уровнях можно осуществлять по линейному закону, т.е. vx=v1(hx/h1), где h1 и hx – соответственно глубины жидкости в канале при первом и i-м измерениях скорости.

Измерение скорости будет осуществляться т.н. “зондовым” датчиком скорости, разработанном на МЧП “Алькор” - “преобразователь скорости потоков жидкости измерительный ИСП-204”.

Предполагается по ряду измеренных значений скоростей в узлах “сетки” определить такое, которое можно было бы подставить в следующую формулу определения расхода: Q = Sv, где S – поперечное сечение канала; v – средняя рассчитанная скорость воды в канале.

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА | ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА | РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКА | ССЫЛКИ