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.