ISSN 2304-6600 (Online)
ISSN 1997-0935 (Print)



ГИДРАВЛИКА. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

Применение численного моделирования в расчете гидрометрических сооружений в открытых руслах

  • Кушер Анатолий Михайлович - Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова)
DOI: 10.22227/1997-0935.2018.8.1008-1015
Страницы: 1008-1015
Предмет исследования: рассмотрены алгоритм и программное обеспечение для численного расчета гидрометрических сооружений в открытых руслах. Реальная точность измерений и диапазон применения таких конструкций ограничены условиями проведения предварительных экспериментальных исследований. Приводимые в литературных источниках эмпирические формулы в большинстве случаев недостаточны для объективной оценки достоверности метрологических характеристик и границ применимости гидрометрических конструкций. Цели: разработка программно-вычислительного комплекса для расчета гидрометрических конструкций, обеспечивающего повышение достоверности и расширение диапазона измерений расхода в открытых каналах водохозяйственных систем. Материалы и методы: на основе предварительных расчетов выявлены недостатки универсальных программных пакетов расчета гидравлики потоков жидкости в расчете расходных характеристик гидрометрических конструкций. Разработаны компьютерные алгоритмы и программные модули специализированного программного комплекса для расчета гидрометрических конструкций без недостатков, присущих универсальным программным продуктам. Результаты: разработан программно-вычислительный комплекс для расчета гидрометрических сооружений, основанный на численном решении уравнений Навье - Стокса в трехмерной постановке. Проведено тестирование разработанного матобеспечения на нескольких типах гидрометрических конструкций. Для повышения точности расчета расходной зависимости разработан новый программный модуль генерации расчетной сетки с гексоидальными ячейками, применяются индивидуальные краевые и начальные условия с учетом работы в режиме свободного истечения и в подпорно-переменном режиме. Все расчетные процедуры от ввода исходных данных до получения результатов расчета в текстовой и графической форме выполняются автоматически, без участия оператора. В качестве примера приведены результаты тестирования комплекса в расчете водослива Крампа. Выводы: по результатам тестирования погрешность расчета расходной характеристики не превышает 2…4 % в зависимости от типа гидрометрической конструкции, что удовлетворяет требованиям технологического и коммерческого водоучета. Разработанный программно-вычислительный комплекс может быть использован для повышения точности и расширения диапазона измерений существующих гидрометрических конструкций, для разработки новых типов и углубленного исследования работы средств водоучета в нестандартных условиях.
  • вычислительная гидродинамика;
  • численное моделирование;
  • гидрометрическое сооружение;
  • расходная характеристика;
  • водослив Крампа;
Литература
  1. Hirt C.W., Williams K.A. FLOW-3D Prediction for free discharge and submerged parshall flumes // Flow Science Technical Note, FSI-94-TN40. 1994. 10 p.
  2. Duró G., Dios M. De, López A., Liscia S.O. Physical modeling and CFD comparison: case study of a hydro-combined power station in spillway mode // International Junior Researcher and Engineer. Workshop on Hydraulic Structures, Utah State University, Logan, Utah, USA, 2012. Pp. 36-47. DOI: 10.15142/T3RP4K.
  3. Голов А.В. Моделирование движения многофазной жидкости в программном комплексе FlowVision : магистер. дисс. М., 2013. 56 с.
  4. Nichols B.D., Hotchkiss R.S., Hirt C.W. SOLA-VOF: A solution algorithm for transient fluid flow with multiple free boundaries. NM (USA): Los Alamos Scientific Lab., 1980. 127 p.
  5. Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundary // Journal of Computational Physics. 1981. Vol. 39 (1). Pp. 201-225. DOI: 10.1016/0021-9991(81)90145-5.
  6. Кушер А.М. Компьютерная технология расчета гидрометрических сооружений // Мелиорация и водное хозяйство. 2004. № 5. С. 50-53.
  7. Кушер А.М. Практическое применение разработанной методологии расчета трехмерного профиля скоростей руслового потока // Костяковские чтения : мат. юб. Междунар. конф. М., 2007. Т. 2. С. 288-294.
  8. Aly A.M.M., Trupp A.C., Gerrard A.D. Measurements and prediction of fully developed turbulent flow in an equilateral triangular duct // Journal of Fluid Mechanics. 1978. Vol. 85. Issue 1. Pp. 57-83. DOI: 10.1017/S0022112078000531.
  9. Gessner F.B., Emery A.F. The numerical prediction of developing turbulent flow in rectangular ducts // Journal of Fluids Engineering. 1981. Vol. 103. Issue 3. Pp. 445-453. DOI:10.1115/1.3240811.
  10. Rhodes D.G., Knight D.W. Distribution of shear force on boundary of smooth rectangular duct // Journal of Hydraulic Engineering. 1994. Vol. 120. Issue 7. Pp. 787-807. DOI: 10.1061/(asce)0733-9429(1994)120:7(787).
  11. Tominaga A., Nezu I., Ezaki K., Nakagawa H. Three-dimensional turbulent structure in straight open channel flows // Journal of Hydraulic Research. 1989. Vol. 27. Issue 1. Pp. 149-173. DOI: 10.1080/00221688909499249.
  12. Coles D. The law of the wake in the turbulent boundary layer // Journal of Fluid Mechanics. 1956. Vol. 1. Issue 2. Pp. 191-226. DOI: 10.1017/s0022112056000135.
  13. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности : в 2 ч. М. : Наука. 1965. Ч. 1. 639 с.
  14. Gessner F.B. The origin of secondary flow in turbulent flow along a corner // Journal of Fluid Mechanics. 1973. Vol. 58. Issue 1. Pp. 1-25. DOI: 10.1017/s002211207300209.
  15. Knight D.W., Shiono K. Turbulence measurements in a shear layer region of a compound channel // Journal of Hydraulic Research. 1990. Vol. 28. Issue 2. Pp. 175-196. DOI: 10.1080/00221689009499085.
  16. Omran M., Knight D.W. Modelling secondary cells and sediment transport in rectangular channels // Journal of Hydraulic Research. 2010. Vol. 48. Issue 2. Pp. 205-212. DOI: 10.1080/00221681003726288.
  17. Zheng Y., Yee-Chung Jin. Boundary shear in rectangular ducts and channels // Journal of Hydraulic Engineering. 1998. Vol. 124. Issue 1. Pp. 86-89. DOI:10.1061/(asce)0733-9429(1998)124:1(86).
  18. Zarrati A.R., Jin Y.C., Karimpour S. Semianalytical Model for shear stress distribution in simple and compound open channels // Journal of Hydraulic Engineering. 2008. Vol. 134. Issue 2. Pp. 205-215. DOI: 10.1061/(asce)0733-9429(2008)134:2(205).
  19. Guo J., Julien P.Y. Shear stress in smooth rectangular open-channel flows // Journal of Hydraulic Engineering. 2005. Vol. 131. Issue 1. Pp. 30-37. DOI:10.1061/(asce)0733-9429(2005)131:1(30).
  20. Yang S.-Q., McCorquodale J.A. Determination of boundary shear stress and reynolds shear stress in smooth rectangular channel flows // Journal of Hydraulic Engineering. 2004. Vol. 130. Issue 5. Pp. 458-462. DOI:10.1061/(asce)0733-9429(2004)130:5(458).
  21. Yang S.-Q., Tan S.-K., Lim S.-Y. Velocity Distribution and dip-phenomenon in smooth uniform open channel flows // Journal of Hydraulic Engineering. 2004. Vol. 130. Issue 12. Pp. 1179-1186. DOI: 10.1061/(asce)0733-9429(2004)130:12(1179).
  22. Yang S.-Q. Depth-averaged shear stress and velocity in open-channel flows // Journal of Hydraulic Engineering. 2010. Vol. 136. Issue 11. Pp. 952-958. DOI: 10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000271.
  23. Kusher A.M. Discussion of “Depth-averaged shear stress and velocity in Open-Channel Flows” by Shu-Qing Yang // Journal of Hydraulic Engineering. 2012. Vol. 138. Issue 10. Pp. 913-914. DOI: 10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000518.24.
  24. Nezu I., Tominaga A., Nakagawa H. Field Measurements of Secondary Currents in Straight Rivers // Journal of Hydraulic Engineering. 1993. Vol. 119. Issue 5. Pp. 598-614. DOI: 10.1061/(asce)0733-9429(1993)119:5(598).
  25. Кушер А.М. Применение численного моделирования при проектировании русловыправительных работ // Костяковские чтения : мат. Междунар. науч.-практ. конф. М., 2013. С. 395-400.
  26. Clemmens A.J., Replogle J.A., Bos M.G. Flume: a computer model for estimating flow through long-throated measuring flumes // U.S. Department of Agriculture, Adricultural Research Service, ARS-57. 1987. 68 p.
  27. Кушер А.М. Гидрометрические лотки для оросительных каналов // Природообустройство. 2016. № 5. С. 78-85.
  28. Кушер А.М. Моделирование гидрометрических сооружений в каналах водохозяйственных систем // Мелиорация и водное хозяйство. 2015. № 6. С. 19-23.
  29. Servais S.A. Physical modelling of low-cost modifications to the Crump Weir in order to improve fish passage: evelopment of favourable swimming conditions and investigation of the hydrometric effect : PhD Thesis. Granfield University, Great Britain, 2005. 371 p.
  30. Bos M.G. Discharge measurement structures, third edition. Wageningen, 1980. 401 p.
СКАЧАТЬ (RUS)