Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

INFLUENCE OF THE WIDTH OF THE ICE CHANNEL OF RATE OF FLOW IN THE EXTENDED NAVIGATION

Zlobin A.A. 1
1 Siberian State Technological University
2118 KB
The dependence for determining the flow rate, taking into account the effect of the ice channel and stream embarrassment towed a raft in the extended navigation. At the flow rate during the extended navigation will have a significant impact indicators such as the width of the channel in the ice box, ice roughness, the roughness of the riverbed, sediment towed the raft and the depth of flow. In this paper we experimentally confirmed the derived formula, and investigated the flow patterns due to changes in the width of the ice channel. The material replaces ice in the laboratory facility used high-density polyethylene. Flow rates were measured by gauging mikrovertushki ГМЦМ–1. The results of experimental and calculated flow rate of 3-4%, which is not essential. By increasing the channel width by 50% the flow rate increased by 15%, by increasing the rate by a raft of almost 2.5 times and reduce speed to the walls of the raft by 45%.
high-density polyethylene (HDP)
flow velocity
rafting
prolonged navigation
Введение

Современный уровень развития ледокольной техники позволяет организовать транспортировку лесоматериалов по рекам и водохранилищам в продленный период навигации. Продление навигации может быть обеспечено прокладкой каналов во льду в ранне-весенний и осенний периоды навигации [4; 3].

В связи с этим возникает необходимость аналитического и экспериментального исследования закономерностей движения водного потока, стесненного ледяным покровом при наличии в нем канала, а также стесненного буксируемым плотом.

Цель исследования

Получить зависимость для определения скорости потока, учитывающую влияние ледового канала и стеснения потока буксируемым плотом в условиях продленной навигации. Опытным путем проверить данную формулу и исследовать влияние ширины канала на скорость потока при прочих равных условиях.

Материалы и методы исследования

При образовании ледяного покрова возникает дополнительное сопротивление движению потока вследствие появления дополнительной шероховатости поверхности льда. В общем случае движение потока может быть напорным и безнапорным. Если ледяной покров прочно смерзается с берегами и дном, то возможно напорное движение. Если же во льду прокладывается канал, то речь может идти только лишь о безнапорном движении. Для определения скорости потока в широком русле постоянного сечения под ледяным покровом при наличии в нем канала воспользуемся формулой [4; 5]:

где Н - глубина потока, м;

m - относительная глубина потока (m = Н/В);

В - ширина русла, м;

m' - относительная ширина прорези канала (m' =b/В);

b - ширина прорези канала, м;

I - гидравлический уклон;

ппр, - приведенный коэффициент шероховатости для потока под ледяным покровом.

У. С. Рось [2] на основе сопоставления результатов расчета с данными натурных наблюдений  рекомендует применять формулу Н. Н. Павловского для определения nпр

где nл, nр - коэффициент шероховатости ледяного покрова и русла, соответственно;

χл, χр - смоченный периметр ледяного покрова и русла, соответственно.

Для рек в бытовом состоянии Н. Н. Белоконь [1] рекомендует принимать значения коэффициента шероховатости ледяного покрова, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Значения коэффициента шероховатости ледяного покрова

Период ледостава

Расчетное значение

Первые 10 дней ледостава

10-20-й день после ледостава

20-60-й день после ледостава

60-80-й день после ледостава

80-110-й день после ледостава

0,150-0,050

0,100-0,040

0,050-0,030

0,040-0,015

0,025-0,010

Значение скорости потока в стесненном плотом сечении можно определить по формуле [1]:

где

υ - средняя скорость потока не стесненного плотом, м/с;

n = ω / ¤ - профильный коэффициент;

ω - площадь поперечного сечения потока, м2;

¤ - площадь погруженной части корпуса судна по мидельшпангоуту, м2.

Значение скорости потока в стесненном сечении с учетом влияния ледяного покрова при наличии в нем канала получим, подставив в уравнение (3) υл

Для экспериментальной проверки выведенной формулы (4) необходимо сравнить теоретические показатели υлс с экспериментальными. Опыты проводились в лаборатории кафедры использования водных ресурсов СибГТУ. Канал смоделирован из досок, установленных в лотке на распорки, между доской и стенкой лотка приклеен поролон, для того чтобы сгладить неровности лотка и деревянного канала. Часто за неимением условий для намораживания натурного льда, используются материалы со схожим коэффициентом трения и плотностью, так в данном исследовании в качестве материала, заменяющего лед, использовался полиэтилен высокого давления. Для того что бы коэффициент трения и коэффициент шероховатости канала был максимально приближен к натурному, к внутренней и нижней части деревянного канала были прибиты пластинки из полиэтилена высокого давления. Замеры скорости потока проводились гидрометрической микровертушкой ГМЦМ-1. Общая схема лабораторной установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Опытная установка для определения скорости в ледовом канале:

1 - лоток; 2 - модель канала; 3 - поролон; 4 - полиэтилен высокого давления; 5 - распорки; 6 - гидрометрическая микровертушка ГМЦМ-1

Определим по формуле (4) υлс для следующих лабораторных условий:

  • B, ширина лотка, 1,4 м;
  • H, глубина потока, 0,3 м;
  • b1; b2; b3, ширина канала, соответственно 0,8 м; 1 м; 1,2 м;
  • I, гидравлический уклон, 0,001;
  • nл, коэффициент шероховатости лотка, 0,03;
  • nПВД, коэффициент шероховатости полиэтилена высокого давления, 0,04;
  • Bпл, ширина плота, 0,6 м;
  • Тпл, осадка плота, 0,12 м.

Расчетные значения υлс при b1; b2; b3 приведены в таблице 2

Таблица 2. Расчет υлс при b1; b2; b3

b, м

m

m'

χр, м

χл, м

ппр

ω, м2

¤, м2

n

К2

υлс, м/с

0,8

0,214

0,571

2

0,6

0,032

0,420

0,072

5,833

0,217

0,438

1

0,714

0,4

0,031

0,465

1,2

0,857

0,2

0,030

0,498

Опытные показатели приведены в таблице 3.

Таблица 3. Опытные показатели υлс при b1; b2; b3

b, м

υ (скорость потока в лотке), м/с

υст (скорость потока возле стенок плота), м/с

υдн (скорость потока под плотом), м/с

 

0,8

0,549

0,577

0,272

0,425

1

0,474

0,419

0,447

1,2

0,326

0,640

0,483

Результаты сравнения опытных данных υлсс расчетными представлены на рисунке 2

Рисунок. ­Расчетные и опытные показатели υлс

Выводы

Расхождения опытных и расчетных результатов составили в среднем 3-4 %. Из рисунка 2 видно, что при увеличении канала на 50 % скорость потока увеличилась примерно на 15 %. Так же результаты опытов (таблица 3) показали, что при увеличении канала скорость под плотом увеличилась практически в 2,5 раза, а возле стенок плота скорость потока уменьшилась на 45 %. Полученные расчетные и опытные зависимости  могут быть использованы при определении сопротивления воды движению лесотранспортных единиц и судов в условиях продленной навигации.

Рецензенты:

  • Козинов Георгий Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленного транспорта и строительства ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск.
  • Лозовой Владимир Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии и оборудования лесозаготовок ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск.