Аэрация потока в водопропускных сооружениях
Аэрация потока заключается в насыщении его пузырьками воздуха, в результате чего по отдельным частям сооружения движется уже не вода, а водовоздушная смесь (рис. 4.12). Аэрация развивается как с поверхности потока вследствие захвата им воздуха, так и внутри него в результате выделения газов, растворенных в воде, поступающей из водохранилища.
Параметры аэрированных потоков необходимо уметь прогнозировать по трем основным причинам:
аэрация существенным образом влияет на глубину потока, что следует учитывать при назначении высоты стенок водопропускных сооружений, выборе отметок мостов, пересекающих водосбросной тракт, установлении отметок свода безнапорных трубчатых участков;
с развитием процесса аэрации изменяются упругие свойства воды, что приводит к изменению динамического воздействия потока на его границы;
аэрация изменяет турбулентные характеристики потока, что отражается на эффективности гашения энергии потока в концевых частях сооружений.
Процесс аэрации потока начинается с некоторого его сечения, в котором средняя скорость v больше или равна критической скорости начала аэрации. Для условий натурных сооружений значение оКр можно определить по следующей зависимости (Т. Г. Войнич- Сяноженцкий):
Требующуюся высоту боковых стенок (см. рис. 4.12) в каком-либо сечении аэрированного потока приближенно можно определить до зависимости:
Расчет рекомендуется проводить для нескольких расходов воды и принимать наибольшее значение.
С явлением аэрации приходится сталкиваться и в закрытых водопропускных сооружениях. При их работе в напорном режиме воздух поступает в воду через аэрационные шахты — воздуховоды. Если закрытое сооружение работает в безнапорном режиме, воздух поступает в воду частично через воздуховоды, а частично со стороны нижнего бьефа через не заполненную потоком верхнюю часть галерей. При недостаточном возмещении расхода воздуха, транспортируемого аэрированным потоком, соответствующим подводом его в галереи безнапорный режим течения в них нарушается — он может стать неустойчивым — переходным или напорным.
Транспортирование воздуха аэрированным потоком обусловливается следующими явлениями: движением воздуха над свободной поверхностью высокоскоростного водного потока; захватом воздуха потоком через границу контакта воды и воздуха, то есть самоаэрацией водного потока; естественной тягой воздуха, вызываемой разницей давлений и температуры воздуха на входе и выходе из аэрацион- ной шахты; захватом воздуха локальными возмущениями потока — гидравлическим прыжком, веерным разбрызгиванием потока за затворами, струей за различного рода уступами и т. д.
Основная цель подачи воздуха в головную часть закрытого водосброса, работающего в напорном режиме,— уменьшение вакуума за затворами, а также снижение гидродинамических нагрузок со стороны потока на элементы сооружения вследствие проявления сжимаемости потока после его аэрации, Положительное действие оказывает аэрация и при возникновении кавитационных явлений (см. гл. 4.3).
Пропускную способность воздуховодов можно определить по формуле:
При установлении возможности са- моаэрации потока в галереях необходимо увеличить пропускную способность аэрационных шахт с учетом дополнительного расхода воздуха Qa на самоаэрацию, предварительно определяемого по формуле Н. Б. Исаченко;
Исходя из условий соблюдения техники безопасности не разрешается: допускать в воздуховодах скорость движения воздуха больше 60 м/с; осуществлять забор воздуха в воздуховоды из рабочих помещений; допускать работу воздуховодов, не оборудованных решетками и ограждениями на входе в них.
Количество воздуха, захватываемого гидравлическим прыжком, можно установить по формуле:
При числе Фруда для потока в закрытом водопропускном сооружении Fr<5 расчеты безнапорного режима можно выполнять и без учета влияния воздуха.