ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА ВОДЫ С ПЛОСКИМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ШТАНГОВОГО РАСХОДОМЕРА И ПОДАЧА ЗАДАНЫХ РАСХОДОВ ВОДЫ НА ОТКРЫТЫХ КАНАЛАХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Мелихов К.М.¹, Козинская О.В.²

¹ ORCID: 0000-0002-4784-7116, Кандидат технических наук, ² ORCID: 0000-0002-7665-2246, Кандидат сельскохозяйственных наук, Волгоградский государственный аграрный университет

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА ВОДЫ С ПЛОСКИМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ШТАНГОВОГО РАСХОДОМЕРА И ПОДАЧА ЗАДАНЫХ РАСХОДОВ ВОДЫ НА ОТКРЫТЫХ КАНАЛАХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Аннотация

Одним из главных направлений повышения эффективности оросительных систем является автоматизация процесса водораспределения с организацией оперативного и достоверного водоучета.  В настоящее время на оросительных системах Волгоградской области учет воды проводится на гидрометрических постах (створах) с помощью гидрометрических вертушек. Существующая техника и организация гидрометрических работ на оросительных системах требует технического совершенствования, внедрения простых, надежных и энергонезависимых средств водоучета и водораспределения.

Ключевые слова: водомерные устройства, коэффициент гидродинамического сопротивления, трубчатый водовыпуск, автоматизация подачи воды.

 

Melikhov K.M.¹, Kozinskaya O.V.²

¹ORCID: 0000-0002-4784-7116, PhD in Engineering  Associate professor, ²ORCID: 0000-0002-7665-2246, PhD in Agriculture,  Associate professor, FSBEE HE “Volgograd State Agrarian University”

HYDRAULIC RESEARCH OF WATER FLOW INTERACTION WITH A FLAT SENSITIVE ELEMENT OF THE ROD FLOW METER AND WATER FEEDING WITH A GIVEN WATER FLOW IN OPEN CHANNELS OF IRRIGATION SYSTEMS

Abstract

One of the main directions of increase of efficiency of irrigation systems is the automation of the water distribution process with the organization of timely and accurate water accounting. The existing equipment and organization of hydrometric works in irrigation systems requires technical improvement, the introduction of simple, reliable and non-volatile means of water accounting and water distribution.

Keywords: water measure devices, hydrodynamic resistance ratio, tube outlet, automatization of water supply.

В настоящее время в Волгоградской области площадь регулярного орошения составляет 193,5 тыс.га.  Третья часть оросительных угодий находится в Заволжье. Здесь функционируют достаточно крупные оросительные системы с большим потенциалом, который, к сожалению, не используется: Тажинская и Ленинская (7966 га); Большая  Волгоградская (15978 га); Кисловская (7462 га); Заволжская (12943 га); Палласовская (11596 га). На оросительных системах практически нет водомерных сооружений. На каналах управляют технологическими процессами, как правило, вручную. Эксплуатационники измеряют расход воды с помощью рейки и гидрометрической вертушки. Эти приемы дают существенные погрешности в измерениях. Тарирование гидрометрических сооружений положительных результатов не показало.   По установленным рейкам в бьефах трудно судить о расходах при работе каналов в подпорных режимах и различном открытии затворов. На каналах младшего порядка водоучет практически не осуществляется. Потребители оросительной воды рассчитываются не за  конкретный ее объем, а за условные гектары орошаемой площади. Водопользователи не имеют достоверной информации о фактическом расходе воды, из-за  него, очень часто, вступают в спор с эксплуатирующей организацией. Недостаточная оперативность управления водораспределением и отсутствие эффективных средств водоучета на действующих оросительных системах  приводит к тому,  что водопользователь вынужден принимать весь объем воды независимо от того, есть  в этом необходимость или нет. При отказе водопользователя от воды значительная часть ее, даже в напряженные  периоды вегетации, идет на сброс, что крайне недопустимо.

Гидравлическая особенность каналов, рассматриваемых оросительных систем, заключается в том, что каналы имеют незначительные уклоны - 0,0007….0,00006. Скорость потока составляет менее 0,9 м/с. Каналы подвержены заилению, они работают в подпорных режимах при максимальном наполнении, обеспечивая заданное командование над орошаемыми участками. В бьефах каналов аккумулируются резервные объемы воды, которые можно использовать для внедрения технических средств с гидроприводом.

Нами предлагаются водомерные устройства, которые имеют чувствительный элемент в виде лопасти, диска и  решетки. [1]

Рисунок  1 -  Схемы переносных водомерных устройств:

а) водомерное устройство с лопастью;

б) водомерное устройство с диском, или решеткой

С точки зрения гидравлики необходимо знать взаимодействие водного потока с чувствительным элементом. Это взаимодействие можно изучить с помощью определения коэффициента гидродинамического сопротивления. Зная этот коэффициент и значение силы сопротивления, можно определить скорость движения воды в канале и расход:

                                                           (1)

где  - площадь поперечного сечения канала; К - коэффициент, учитывающий; неравномерность распределения скоростей по поперечному сечению канала; Р – величина силы сопротивления;  - плотность жидкости; F – площадь элемента, погруженного в жидкость; С_D  – коэффициент гидродинамического сопротивления.

Данная методика расчета справедлива при следующей конфигурации распределения гидродинамического давления по плоскому элементу (рисунок 2):

Рисунок 2 - Распределение гидродинамического давления по элементу

Для изучения изменения коэффициента гидродинамического  сопротивления в зависимости от турбулентности потока мы провели лабораторные исследования, в ходе которых   были замерены скорость и гидродинамическое давление на чувствительный элемент. Геометрический масштаб моделирования лабораторной установки принят λ=3. Основным критерием динамического подобия является критерий Фруда, с учетом которого полученные данные пересчитаны на натурные условия:

,                                            (2)

где Q_H – расход в натурных условиях;Q_M – расход модели.

Максимальный расход модели достигал 0,050 м³/с.Расход лабораторной установки определяли по среднему значению с помощью двух трапецеидальных водосливов по формуле:

                                            (3)

где  – коэффициент расхода  водослива (для угла 45^о, = 0,42); – ширина водослива по нижней грани (для 1-го водослива = 0,5 м; для второго – 0,51м);  – напор на водосливе, м.

После обработки результатов были получены графические зависимости: зависимость коэффициента гидродинамического сопротивления от числа Рейнольдса и степени перекрытия потока.

Выводы:

1. Существующие способы измерения расхода с помощью рейки и гидрометрической вертушки дают существенные погрешности в измерениях, поэтому требуют усовершенствования.
2. Предлагаемые водомерное устройство для водоучета в каналах оросительных систем имеют простую конструкцию, легко монтируются и демонтируются, и показали надежность в работе.
3. Исследованиями установлено, что наиболее простыми, точными и менее габаритными являются расходомеры с целостными плоскими элементами (лопасть, диск). Чувствительный элемент в виде решетки более громоздкий и имеет большее число факторов влияния на него гидродинамического давления, а следовательно более сложно определить воздействие на него потоком, что влияет на точность определения расхода.
4. При одинаковой турбулентности в зависимости от перекрытия потока коэффициент гидродинамического сопротивления () увеличивается в среднем на 20%.
5. Полученная зависимость изменения скорости от гидродинамического давления может быть использована для определения расхода.

Как следствие измерения заданных расходов является автоматизация подачи заданных расход.

При обследовании гидротехнических сооружений на оросительных системах Волгоградского Заволжья установлено, что более 50 % водовыпусков в каналы – оросители имеют перепады уровня воды между верхним и нижним бьефами от 0,5 до 2,8 м., то есть гидравлическая энергия потока, которую можно использовать для регулирования расхода воды. Регулировать же расход и уровень воды в каналах – оросителях при значительных перепадах необходимо, так как трудно обеспечить подачу заданного расхода воды и его потребления существующими затворами: плоскими или типа « хлопушка ». Как правило, подается или завышенный расход, или наоборот заниженный  и редко подается заданный. Поэтому необходимо постоянно дежурить регулировщику на водовыпусках при проведении поливов.

Подавать завышенный расход, даже при первоначальном наполнении, нежелательно, так как каналы – оросители не имеют уклона или имеют минимальный уклон и большую длину( до 2000 м.) и при подаче расхода выше его пропускной способности приведет к переполнению канала, переливу через дамбы и их размыву.

Нами предложен автоматический трубчатый водовыпуск следующей конструкции [2].

Рисунок 3 – 1. Труба водовыпуска; 2. Запорная крышка водовыпуска; 3. направляющие верхняя и нижние трубки; 4. рабочий шток поплавка в виде трубки;5. гибкий трос соединенный с рабочим штоком поплавка; 6. верхняя часть рабочего штока поплавка из металла или пластмассы; 7. поплавок.

Данный авторегулятор необходим для поддержания оптимального уровня воды при защите земель от водной эрозии, при наименьших затратах на его производство и эксплуатацию.

Порядок работы авторегулятора следующий. Предварительно в результате исследований устанавливается оптимальный уровень в водотоках. После чего монтируется авторегулятор уровня в том или ином бьефе, или в обоих сразу, при этом агрегат монтируется на любой глубине в зависимости от длины рабочего штока поплавка 4, а нижняя кромка поплавка 7 на требуемом уровне воды. При достижении водой заданного уровня поплавок 7 по направляющим трубкам 3 поднимает рабочий шток 4 по которому передается усилие через гибкий трос 5 на запорную крышку 2 и при достижении определенного уровня водовыпуск закрывается.

Преимущества данной конструкции в следующем: простая конструкция, которую можно выполнить без специального оборудования в условиях фермерского хозяйства, работа в автоматическом режиме не требующим участия человека, отсутствие автономных источников энергии.

Литература

1. Мелихов, К. М. Разработка и исследование средств учета воды и автоматизации подачи заданных расходов на открытых оросительных системах Волгоградского Заволжья : дис. к.т.н. ─ В.-2003. ─ 207 с.
2. Ганкин, М.З. Комплексная автоматизация и АСУТП водохозяйственных систем. – М.: Агропромиздат, ─1991. – 432 с.

References

1. Melihov, K. M. Razrabotka i issledovanie sredstv ucheta vody i avtomatizacii podachi zadannyh rashodov na otkrytyh orositel'nyh sistemah Volgogradskogo Zavolzh'ja : dis. t.n. ─ V.-2003. ─ 207 s.
2. Gankin, M.Z. Kompleksnaja avtomatizacija i ASUTP vodohozjajstvennyh sistem. – M.: Agropromizdat, ─1991. – 432 s.