Результаты физического и математического моделирования строительного туннеля №4 (ст4) и вихревых шахт водосброса твву1

1.

Результаты физического и
математического моделирования
строительного туннеля №4 (СТ4) и
вихревых шахт водосброса ТВВУ1
(для обсуждения с экспертом-гидравликом
компании AFRY доктором Бенно Цундом)
Санкт-Петербург. ВНИИГ. 27.09.2021

2.

1. Аэрация быстротока ДТ4

3.

Работа аэратора (тип А) при расходе 1750 м3/с
Предлагаемая AFRY конструкция
аэратора типа A
3

4.

Работа аэратора (тип А) при расходе 1750 м3/с
(Объемная доля воздуха. Сечения параллельно дну на расстоянии от дна 0.5м, 1м и 1,5м)
4

5.

Работа аэратора (тип B) при расходе 1750 куб.м/с
Предлагаемая AFRY конструкция
аэратора типа B
5

6.

Результаты расчетов работы аэратора при
различных скоростях течения
Предлагаемая AFRY конструкция
аэратора типа B
Распределение давлений у аэратора при
скорости потока около 27,0 м/с
(аэратор не затапливается)
Распределение давлений у аэратора при
скорости потока около 22,0 м/с
(аэратор начинает затапливаться)
Распределение давлений у аэратора при скорости
потока около 20,0 м/с
(аэратор затоплен, но давление меньше
атмосферного)
Распределение давлений у аэратора при
скорости потока около 18,0 м/с
(зона с давлением, которое меньше
атмосферного, минимальна)
6

7.

2. Аэрация затвора ДТ4

8.

Исследования работы 1 пролета туннеля СТ4 на модели 1 (масштаб 1:40)
(открыт затвор №1, затворы № 2-4 – закрыты)
Чертеж участка разветвления туннеля СТ4 и камер сегментных затворов
TRACTEBEL
ELECTROCONSULT
8

9.

Пропускная способность туннеля СТ4 при работе 1, 2-х и всех 4 пролетов по данным
модели 1
1240
1220
1200
УВБ, м
1180
1160
1140
1120
1100
1090
1080
0
500
1000
1500
2000
Q,
2500
3000
3500
4000
м3/с
при безнапорном режиметечения (открыты 4 затвора)
при напорном режиме течения (открыты 4 затвора)
по математическому моделированию (открыты 4 затвора)
при напорном режиме течения (открыт 1 пролет)
по математическому моделированию (открыт 1 пролет)
расчет (один пролет из 4 открытых)
при напорном режиме (открыты 2 пролета)
расчет (2 пролета открыты)
Коэффициент расхода туннеля СТ4 при работе 1 пролета = 0,9,
при работе 2-х - =0,8, а при 4-х - =0,715
9

10.

Сопоставление результатов физического и математического моделирования по определению
осредненных пьезометрических давлений при открытии одного и двух сегментных затворов, а
также сравнение этих данных с полученными при открытии всех 4 затворов
3
6
1187.7
4
1
2
5
8
7
При работе 1 пролета (УВБ=1203 м, Q1=1140 м3/с): 1 – по данным физического моделирования левая
ветка, камера левая; 2 – левая ветка камера правая; 3 – правая ветка; 4 – по данным математического
Опыт 6 УВБ= 1203м, Q=1133м?/с
моделирования левая ветка, камера левая; 5 - по данным математического моделирования левая
ветка камера правая; 6 - по данным математического моделирования правая ветка.
При работе 2-х пролетов (УВБ=1203 м, Q1=1027 м3/с): 8 - по данным физического моделирования
При работе 4-х пролетов (УВБ=1203 м, Q1=906 м3/с): 7 - по данным физического моделирования
10

11.

Общий вид на режим течения при работе 1 пролета туннеля СТ4 на модели 1
(3 затвора закрыты)
Труба с установленной
диафрагмой для измерения
расхода воздуха
11

12.

Определение критического УВБ для обеспечения
функционирования аэратора при работе 1 пролета
туннеля СТ4
Опорная балка затвора
на отметке 1089,80 м
При УВБ = 1140 м
При критическом УВБ = 1150 м
Контакт потока с
балкой затвора
12

13.

Определение критического УВБ для обеспечения
функционирования аэратора при работе 1 пролета
туннеля СТ4
Опорная балка затвора
поднята до отметки 1092,00 м
Нет контакта
потока с балкой
затвора
При УВБ = 1170 м
При критическом УВБ = 1180 м
Отраженные
струи
13

14.

Зависимости расхода воздуха через 1 пролет от сбросного расхода этого пролета при
различных вариантах работы туннеля СТ4
300
0,30
250
0,25
4 затвора открыты
2 затвора открыты
2 затвора открыты
200
0,20
1 затвор открыт
=Qа/Qв
1 затвор открыт
Qа1, м3/с
4 затвора открыты
0,15
150
100
0,10
50
0,05
0
0,00
0
200
400
600
800
Qв1 (расход воды через 1 пролет),
1000
0
1200
200
400
600
800
1000
Qв (расход воды через 1 пролет),
м3/с
1200
м3/с
1200
2 затвора открыты
800
Qа, м3/с
Примечание:
Опыты при работе 4-х и 2-х
пролетов проведены при
низком положении опорной
балки затвора, а для опытов с
1-м пролетом балка поднята
4 затвора открыты
1000
1 затвор открыт
600
400
200
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Qв,( расход воды через все пролеты)
м3/с
3500
4000
14

15.

3. Вихревые шахты ТВВУ1 / РДО

16.

Исследования условий течения в вихревых шахтах
водосброса ТВВУ1 на модели 5 (масштаб 1:60)
Измененная конструкция затворной камеры водосброса ТВВУ1
Опорная балка затвора
поднята до отметки
1194,00 м
16

17.

Зависимости расхода воздуха, поступающего в камеру
сегментных затворов ТВВУ1
1200
Qа1, м3/с
1000
800
600
400
200
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Qв1, м3/с
1,20
1,00
=Qа/Qв
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
0
200
400
600
Qв, м3/с
800
1000
1200
17

18.

РЕЖИМ ТЕЧЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ ШАХТАХ
Левая шахта. Крышка на камере
сегментных затворов закрыта
(без доступа воздуха)
Образуется воздушный вихрь
Левая шахта. Крышка на камере
сегментных затворов открыта
(свободный доступ воздуха)
Винтовое течение
18

19.

Зависимости расхода воздуха, поступающего или выходящего из вихревой шахты
при дроссельном отверстии площадью 40 м2
- Qа
1500
1000
+ Qа
с доступом воздуха в з.к.
без доступа воздуха в з.к.
Qа1, м3/с
500
с доступом воздуха в з.к.
0
без доступа воздуха в з.к.
-500
-1000
-1500
-2000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Qв1, м3/с
2,50
аэрационная шахта
вихревой шахты
2,00
1,50
с доступом воздуха в з.к.
=Qа/Qв
1,00
без доступа воздуха в з.к.
0,50
0,00
-0,50
-1,00
-1,50
-2,00
0
200
400
600
800
Qв, м3/с
1000
1200
1400
Вывод:
1. При свободном доступе воздуха в
камеру сегментных затворов (з.к.)
воздух
«-Qа» из вихревой шахты
выходит вверх (винтовое течение).
2. При прекращении доступа воздуха в
камеру сегментных затворов (на
модели крышка закрыта) воздух «+Qа»
поступает в вихревую шахту вниз
(воздушный вихрь).
19

20.

Предлагаемая AFRY конструкция дроссельного отверстия (РДО)
Необходимо рассмотреть
ширину пролета РДО 4,0; 5,0;
6,0 и 7,0 м
20

21.

Зависимости уровней воды в вихревой шахте от расхода
Название
при дроссельных отверстиях (РДО) площадью
20, 25, 30, 35 м2, а также
при его проектной конструкции площадью 40 м2
1. Текст
AFRY предлагает уменьшить площадь дроссельного отверстия до 32
м2????
2121

22.

h2/D2
Зависимости относительных уровней воды, отсчитываемых от дна вихревой
Название
шахты, от относительного
расхода
при дроссельных отверстиях (РДО) площадью 20, 25, 30, 35 м2, а также при его
1. Текст
проектной конструкции площадью 40 м2
10,0
9,0
20 м2
Three-Dimensional Flow of a Vortex Drop
Shaft Spillway with
an Elliptical
tangential Inlet/ Zhou Yang, Jinbu Yin,
Yangliang Lu, Zhiming Liu, Haoyu Yang and
Genhai Xu// Water 2021,33,504.
25 м2
30 м2
8,0
35 м2
40 м2
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
22
2

23.

Зависимости пьезометрических давлений (м вод. столба) на дно вихревой шахты от расхода
Название
при дроссельных отверстиях (РДО) площадью
20, 25, 30, 35 м2, а также при его проектной
конструкции площадью 40 м2
1. Текст
80
75
70
h2, м
65
60
55
Площадь 20м². Правая шахта
Площадь 25м². Правая шахта
Площадь 30м². Правая шахта
Площадь 35м². Правая шахта
Площадь 40 м2. Правая шахта
50
45
40
35
200
300
400
500
600
700
Q, м³/с
800
900
1000
1100
1200
23
2

24.

4. Вихревые шахты ТВВУ1 / потребление
воздуха

25.

Зависимости расхода воздуха, поступающего на безнапорный участок туннеля СТ4,
при дроссельном отверстии площадью 40 м2
аэрационная
шахта
Qа1, м3/с
800
700
без доступа воздуха в з.к.
600
с доступом воздуха в з.к.
500
400
300
200
100
0
0
200
400
600
800
Qв1,
1000
1200
1400
м3/с
0,70
0,60
=Qа/Qв
0,50
0,40
0,30
без доступа воздуза в з.к.
0,20
с доступом воздуха в з.к.
0,10
0,00
0
200
400
600
Qв,
800
м3/с
1000
1200
1400
25

26.

Режим течения на безнапорном участке туннеля СТ4
(при дроссельном отверстии площадью 40 м2)
Непосредственные измерения воздухосодержания в потоке на выходе из
дроссельного отверстия показали, что при расходе 250 м3/с оно составляет в
среднем 30%, а при расходе 1000 м3/с – только 2,0%.
26