Обтекание гибкой струенаправляющей завесы
Представлены результаты экспериментальных исследований кинематических характеристик течения вблизи полотна завесы модели струенаправляющего сооружения, спроектированного для акватории Ташлыкского водохранилища-охладителя Южно-Украинской АЭС. Наведено результати експериментальних досліджень кінематич...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Прикладна гідромеханіка |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116496 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Обтекание гибкой струенаправляющей завесы / А.А Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий // Прикладна гідромеханіка. — 2015. — Т. 17, № 1. — С. 10-20. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-116496 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Воскобойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Хижа, И.А. Хомицкий, В.В. 2017-04-28T16:51:53Z 2017-04-28T16:51:53Z 2015 Обтекание гибкой струенаправляющей завесы / А.А Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий // Прикладна гідромеханіка. — 2015. — Т. 17, № 1. — С. 10-20. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1561-9087 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116496 532.5 Представлены результаты экспериментальных исследований кинематических характеристик течения вблизи полотна завесы модели струенаправляющего сооружения, спроектированного для акватории Ташлыкского водохранилища-охладителя Южно-Украинской АЭС. Наведено результати експериментальних досліджень кінематичних характеристик течії поблизу полотна завіси моделі струмененаправляючої споруди, спроектованої для акваторії Ташлицького водосховища-охолоджувача Південно-Української АЕС. The results of experimental researches of flow kinematics near-by screen linen of the training construction model, projected for the water area of Tashlyk cooling pond of South-Ukraine nuclear power station are presented. ru Інститут гідромеханіки НАН України Прикладна гідромеханіка Науковi статтi Обтекание гибкой струенаправляющей завесы Обтікання гнучкої струмененаправляючої завіси Flow of the flexible jet-directing screen Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Обтекание гибкой струенаправляющей завесы |
| spellingShingle |
Обтекание гибкой струенаправляющей завесы Воскобойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Хижа, И.А. Хомицкий, В.В. Науковi статтi |
| title_short |
Обтекание гибкой струенаправляющей завесы |
| title_full |
Обтекание гибкой струенаправляющей завесы |
| title_fullStr |
Обтекание гибкой струенаправляющей завесы |
| title_full_unstemmed |
Обтекание гибкой струенаправляющей завесы |
| title_sort |
обтекание гибкой струенаправляющей завесы |
| author |
Воскобойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Хижа, И.А. Хомицкий, В.В. |
| author_facet |
Воскобойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Хижа, И.А. Хомицкий, В.В. |
| topic |
Науковi статтi |
| topic_facet |
Науковi статтi |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Прикладна гідромеханіка |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Обтікання гнучкої струмененаправляючої завіси Flow of the flexible jet-directing screen |
| description |
Представлены результаты экспериментальных исследований кинематических характеристик течения вблизи полотна завесы модели струенаправляющего сооружения, спроектированного для акватории Ташлыкского водохранилища-охладителя Южно-Украинской АЭС.
Наведено результати експериментальних досліджень кінематичних характеристик течії поблизу полотна завіси моделі струмененаправляючої споруди, спроектованої для акваторії Ташлицького водосховища-охолоджувача Південно-Української АЕС.
The results of experimental researches of flow kinematics near-by screen linen of the training construction model, projected for the water area of Tashlyk cooling pond of South-Ukraine nuclear power station are presented.
|
| issn |
1561-9087 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116496 |
| citation_txt |
Обтекание гибкой струенаправляющей завесы / А.А Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий // Прикладна гідромеханіка. — 2015. — Т. 17, № 1. — С. 10-20. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT voskoboinikaa obtekaniegibkoistruenapravlâûŝeizavesy AT voskoboinikav obtekaniegibkoistruenapravlâûŝeizavesy AT voskoboinikva obtekaniegibkoistruenapravlâûŝeizavesy AT hižaia obtekaniegibkoistruenapravlâûŝeizavesy AT homickiivv obtekaniegibkoistruenapravlâûŝeizavesy AT voskoboinikaa obtíkannâgnučkoístrumenenapravlâûčoízavísi AT voskoboinikav obtíkannâgnučkoístrumenenapravlâûčoízavísi AT voskoboinikva obtíkannâgnučkoístrumenenapravlâûčoízavísi AT hižaia obtíkannâgnučkoístrumenenapravlâûčoízavísi AT homickiivv obtíkannâgnučkoístrumenenapravlâûčoízavísi AT voskoboinikaa flowoftheflexiblejetdirectingscreen AT voskoboinikav flowoftheflexiblejetdirectingscreen AT voskoboinikva flowoftheflexiblejetdirectingscreen AT hižaia flowoftheflexiblejetdirectingscreen AT homickiivv flowoftheflexiblejetdirectingscreen |
| first_indexed |
2025-11-26T23:37:47Z |
| last_indexed |
2025-11-26T23:37:47Z |
| _version_ |
1850781617320099840 |
| fulltext |
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
УДК 532.5
ОБТЕКАНИЕ ГИБКОЙ СТРУЕНАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЗАВЕСЫ
А. А. В ОС К ОБ ОЙ Н И К, А. В. ВО СК О Б OЙ Н И К, В. А. В О СК О БO Й Н И К,
И. А. ХИ Ж А, В. В. Х О МИ Ц К И Й
Институт гидромеханики НАН Украины, Киев,
03680 Киев – 180, МСП, ул. Желябова, 8/4
email: vlad.vsk@gmail.com
Получено 21.10.2014
Представлены результаты экспериментальных исследований кинематических характеристик течения вблизи
полотна завесы модели струенаправляющего сооружения, спроектированного для акватории Ташлыкского
водохранилища-охладителя Южно-Украинской АЭС. Визуальные исследования и измерения полей скорости по-
казали, что вблизи тупиковой части сооружения формируется крупномасштабная циркуляционная структура и
интенсивное струйное течение в области сужения потока. В приповерхностном слое потока течение направлено от
водораспределительной дамбы к полотну завесы, а далее вдоль завесы на выход из струенаправляющего сооруже-
ния, и максимальная скорость наблюдается вблизи сужения потока. В придонном слое зарегистрировано низко-
скоростное возвратное течение, особенно в тупиковой части сооружения и местах больших глубин вблизи полотна
завесы. В области сужения потока придонное течение имеет повышенную скорость и направлено на выход из соо-
ружения, подобно приповерхностному слою потока.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: струенаправляющее сооружение, гибкая завеса, визуализация, поле скорости, циркуляция,
струйное течение
Наведено результати експериментальних дослiджень кiнематичних характеристик течiї поблизу полотна завi-
си моделi струмененаправляючої споруди, спроектованої для акваторiї Ташлицького водосховища-охолоджувача
Пiвденно-Української АЕС. Вiзуальнi дослiдження та вимiрювання полiв швидкостi показали, що поблизу тупико-
вої частини споруди формується великомасштабна циркуляцiйна структура та iнтенсивна струменева течiя в областi
звуження потоку. У приповерхневому шарi потоку течiя направлена вiд водорозподiльчої дамби до полотна завiси,
а далi вздовж завiси на вихiд iз струмененаправляючої споруди, i максимальна швидкiсть спостерiгається поблизу
звуження потоку. У придонному шарi зареєстрована низькошвидкiсна зворотна течiя, особливо у тупиковiй частинi
споруди та мiсцях великих глибин поблизу полотна завiси. В областi звуження потоку придонна течiя має бiльшу
швидкiсть i спрямована на вихiд зi споруди, подiбно приповерхневому шару потоку.
КЛЮЧОВI СЛОВА: струмененаправляюча споруда, гнучка завiса, вiзуалiзацiя, поле швидкостi, циркуляцiя, стру-
менева течiя
The results of experimental researches of flow kinematics near-by screen linen of the training construction model, projected
for the water area of Tashlyk cooling pond of South-Ukraine nuclear power station are presented. Visualizations and
velocity measurements shown that near-by dead-locked part of the construction a large-scale circulation structure and
intensive jet flow are formed in area of the stream contraction. In the surface layer a flow is directed from a water-dividing
dam to the screen linen and further along the screen on an exit from the training construction and high velocity is observed
near-by the stream contraction. A low-velocity recurrent flow is incorporated in a near-bottom layer, especially in dead-
locked part of the construction and places of large depths near-by the screen linen. In area of the stream contraction a
near-bottom flow has high velocity and it’s directed on an exit from the construction, like the surface layer of stream.
KEY WORDS: training construction, flexible screen, visualization, velocity field, circulation, jet flow
ВВЕДЕНИЕ
В энергообеспечении народнохозяйственного
комплекса страны ведущую роль играют атом-
ные электростанции (АЭС), на долю которых
приходится около 50% электроэнергии, прои-
зводимой электростанциями Украины [1]. Для
нормального функционирования АЭС возникает
необходимость отвода системами охлаждения в
окружающую среду огромного количества тепла,
составляющего около 70% энергии потребляе-
мого топлива [2]. Одно из важнейших условий
надежной эксплуатации АЭС – бесперебойное
водообеспечение, источниками которого служат
реки, водохранилища и водоемы-охладители. К
сожалению, уже исчерпаны возможности при-
менения наиболее экономичных прямоточных
систем технического водоснабжения электро-
станций, и широкое распространение получает
оборотное водоснабжение, базирующееся на
водоемах-охладителях, градирнях и брызгальных
установках, а также комбинированные систе-
мы охлаждения, основанные на совместном
использовании этих охладителей в различных
вариантах.
Среди основных гидрологических факторов, ко-
10 c© А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий, 2015
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
Рис. 1. Схема размещения струенаправляющего сооружения в акватории Ташлыкского
водохранилища-охладителя
торые определяют условия функционирования
экосистем водоемов-охладителей атомных эле-
ктростанций Украины, важное место занима-
ют процессы водообмена, гидродинамики водо-
ема и тепловой (термический) режим водных
масс. Пренебрежение этими процессами уже
привело к нарушениям в эксплуатации неко-
торых водоемов-охладителей. Так, на водоеме-
охладителе Чернобыльской АЭС значительная
часть объема воды (ниже 7-9-метровой изоба-
ты) принимала слабое участие в охлаждении
подогретых вод, которые сбрасываются станци-
ей. То же касается и Ташлыкского водоема [1].
Ташлыкское водохранилище-охладитель Южно-
Украинской АЭС работает в тяжелых условиях
термического режима. В жаркие летние месяцы
его охлаждающая способность снижается. Необ-
ходимого объема воды нужной температуры недо-
статочно для работы всех трех энергоблоков стан-
ции. Из-за этого суммарная мощность АЭС огра-
ничивается величиной 1800 МВт.
Эффективность охлаждения воды в водоеме-
охладителе, а, следовательно, и его гидротермиче-
ский режим зависят напрямую от схемы органи-
зации движения потока, которая должна обеспе-
чивать наиболее низкие температуры охлажден-
ной воды при минимальных капитальных и эк-
сплуатационных затратах [3]. Как показано в ра-
боте [4], компонентная схема водозаборных и во-
довыпускных сооружений Ташлыкского водоема-
охладителя относится к так называемому совме-
стному типу, когда разделение потоков происхо-
дит за счет вертикальной стратификации темпера-
туры. Недостатком такой схемы является привле-
чение теплых вод верхнего слоя потока в нижние
его слои. Для уменьшения этого эффекта в рабо-
те [5] предложено применить струенаправляющую
завесу (рис. 1), которая способна разделить те-
плые воды, сбрасываемые в водоем, от вод нижне-
го слоя водоема, которые попадают в водозабор-
ные сооружения. Это позволяет разделить поток
не только по вертикали, но и по горизонтали. Как
показали расчеты [6], струенаправляющее соору-
жение, которое достигает дна водохранилища, ра-
зделяет потоки воды на водосбросе и водозаборе,
улучшая, таким образом, тепловой режим рабо-
ты Ташлыкского водохранилища-охладителя. При
этом разница температур на водосбросе и водоза-
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий 11
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
Рис. 2. Схема струенаправляющего сооружения
боре достигает нескольких градусов. Проведенные
технико-экономические расчеты [6] показывают,
что реализация проекта системы доохлаждения
эквивалентна вводу энергоблока тепловой станции
мощностью до 100 МВт. Реконструкция системы
технического водоснабжения Южно-Украинской
АЭС позволит полностью исключить разгрузки
энергоблоков в летний период из-за недостато-
чной охлаждающей способности водохранилища.
А это значит, что дополнительные потери вырабо-
тки электроэнергии будут сведены к минимуму.
На струенаправляющую завесу, которая дости-
гает дна водоема, действуют нестационарные при-
стеночные и придонные течения, которые вызыва-
ют изгибание завесы и ее колебание. В угловых
областях завесы генерируются крупномасштабные
вихревые течения и напорные потоки, которые
приводят к появлению нестационарных во време-
ни и неоднородных в пространстве сил, действу-
ющих как на завесу, так и на якорную систе-
му, которая удерживает ее [7]. Для определения
этих сил, а также для получения качественных
и количественных характеристик структуры те-
чения, напряженно-деформированного состояния
полотна завесы и динамических нагрузок на якор-
ную систему модели струенаправляющего соору-
жения проводятся численные и эксперименталь-
ные научно-исследовательские работы.
Цель исследований – определение особенно-
стей формирования и кинематических характери-
стик струйных и вихревых течений вблизи по-
лотна гибкой завесы модели струенаправляюще-
го сооружения, спроектированного для акватории
Ташлыкского водохранилища-охладителя Южно-
Украинской АЭС.
Выполнение работ осуществлено методами фи-
зического эксперимента в лабораторных услови-
ях. Для измерения турбулентных полей скоро-
сти использовался специально разработанный и
изготовленный стенд на базе гидродинамическо-
го лотка и канала. Стенд оснащался датчиками
скорости и динамического давления, контрольно-
измерительной аппаратурой и средствами анали-
за и регистрации данных. Помимо инструменталь-
ных измерений, проводилась визуализация потока
с помощью красителей, контрастных веществ, по-
даваемых в поток, и плавучих частиц. В системах
обработки и анализа экспериментальных данных
использованы статистические и условные методы,
с применением пространственно-временного кор-
реляционного и спектрального анализов.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В основу разработки и изготовления экспери-
ментального стенда положена схема струенаправ-
ляющего сооружения, показанная на рис. 2. Стру-
енаправляющее сооружение (завеса) располагае-
тся в акватории Ташлыкского водохранилища-
охладителя на расстоянии 80...140 м от его восто-
чной части. Расстояние от струенаправляющего
сооружения до противоположного берега водохра-
нилища составляют 1170...1700 м. Глубины в месте
расположения завесы изменяются в зависимости
от рельефа дна от 1 до 15.2 м. Средние глубины
в огражденной части равняются 4.4...10.4 м. Ско-
рости течения потока через водораспределитель-
12 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
Рис. 3. Экспериментальный стенд на базе
гидродинамического лотка и канала
ную дамбу теплого отсека длиной 335 м состав-
ляют 0.14...0.44 м/с при расходах 47.3...147.7 м3/с.
Скорости течения в коридоре, образованным стру-
енаправляющим сооружением и берегом, изменя-
ются в зависимости от величины циркуляционного
расхода и глубины его распространения.
Конструктивно струенаправляющее сооружение
представляет собой гибкую платформу из пла-
стиковых модульных элементов (понтонов) систе-
мы "Sunplast" , соединенных между собой специ-
альными крепежными устройствами. К модуль-
ной плавучей платформе крепится сплошная вер-
тикальная завеса, выполненная из армированной
мембраны типа "Aqua100Р"производствa фирмы
"Haugenplast"(Израиль). Устойчивость струена-
правляющего сооружения в проектном положении
обеспечивается якорной системой (бетонные якоря
и якорные цепи) и анкерной опорой, размещенной
на берегу водохранилища.
Физическое моделирование обтекания гибкого
полотна завесы проводилось в гидродинамическом
канале, который был составной частью экспери-
ментального стенда, состоящего как из канала,
так и гидродинамического лотка (рис. 3). Исхо-
Рис. 4. Входная часть гидродинамического канала с
направляющими поток конструкциями
дя из возможностей технологического оборудова-
ния и площади лабораторного помещения, модель
струенаправляющего сооружения была изготовле-
на в горизонтальной плоскости в масштабе 1:100
и в вертикальной плоскости в масштабе 1:25 отно-
сительно натуры.
Подача воды и контроль ее расхода проводились
в гидродинамическом лотке длиной 16 м, шири-
ной 1 м и глубиной 0.8 м. Вода в лоток подавалась
через успокоительную камеру насосами. Из успо-
коительной камеры поток воды проходил конфу-
зорный отсек и через хонейкомбы и турбулизиру-
ющие сетки поступал на вход гидродинамическо-
го лотка. Измерительный участок, оборудованный
аппаратурой и средствами регистрации характе-
ристик набегающего потока, координатными при-
способлениями, располагался на расстоянии 8.0 м
от входной части лотка. Пленочные двухкомпо-
нентные термоанемометры фирмы "Disa"(Дания),
датчики скорости потока в виде трубки Пито, а
также пьезорезистивные датчики глубины пото-
ка, закрепленные на хорошо обтекаемых держав-
ках и установленные на координатном устройстве,
располагались в измерительном участке гидроди-
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий 13
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
Рис. 5. Рельеф дна канала вблизи модели
струенаправляющего сооружения
намического лотка и перемещались по заданной
программе в исследуемые области потока. Глуби-
на потока и его скорость регулировалась посред-
ством специального оборудования, позволяющего
плавно изменять эти параметры. При проведении
исследований глубина потока составляла от 0.2
до 0.4 м, скорости течения изменялись от 0.02 до
0.5 м/с, а расход воды в гидродинамическом лотке
изменялся от 0.004 до 0.2 м3/с.
Гидродинамический канал длиной 14 м, шири-
ной 1.5 м и глубиной 0.7 м имел открытую поверх-
ность воды. Во входной части канала была сде-
лана ниша длиной 4.2 м, шириной 0.8 м и высо-
той 0.7 м, где поток воды направлялся со слив-
ной емкости перпендикулярно продольной оси ка-
нала (рис. 4). В сливной емкости, куда вода попа-
дала из гидродинамического лотка, располагались
успокоительные элементы для уменьшения турбу-
лизации потока и придания ему приемлемых ги-
дродинамических характеристик. Во входной ни-
ше канала были установлены направляющие кон-
струкции, которые позволили равномерно напра-
вить входящий поток по всей дамбе модели струе-
направляющего сооружения. Во входной части ка-
нала (напротив направляющих конструкций) был
забетонирован рельеф дна (рис. 5), отвечающий
топологии водохранилища-охладителя. На обтека-
емой поверхности дна специально были забетони-
рованы дюбеля, к которым впоследствии крепи-
лись якоря, гибкая завеса и узлы креплений да-
тчиков. В ходе исследований глубина потока над
моделью дамбы (H) сохранялась как 0.06 м, а сре-
днерасходная скорость течения (U) изменялась от
0.06 м/с до 0.21 м/с, которым соответствуют чис-
ла Фруда Fr= U/
√
gH от 0.08 до 0.27, числа Рей-
нольдса Re= UH/ν от 3600 до 12600.
Модель гибкой завесы длиной около 9 м и ши-
риной 0.6 м была сделана из армированной и про-
резиненной ткани "Sealtex 650"толщиной порядка
0.7 мм. Эта ткань, применяемая для производства
тентов большегрузных автомобилей, изготавлива-
ется по литой технологии на основе полиэстера.
Верхняя часть полотна завесы, которая крепилась
к понтонам, была подвернута и проклеена для
придания ей большей прочности. В нижней части
полотна устанавливались люверсы, через которые
полотно завесы крепилось к бетонному дну гидро-
динамического канала.
При монтаже гибкой завесы пенопластовые по-
плавки, к которым крепилось полотно завесы, за-
креплялись на рейках, установленных под ниве-
лир, над поверхностью дна канала на высоте,
отвечающей модельной глубине водохранилища-
охладителя в соответствии с предоставленными
чертежами (рис. 2). Затем к бетонному дну ка-
нала крепилась нижняя часть полотна и позади
закрепленной завесы бетонировалось дно канала с
учетом его профиля. После этого к бетонному дну
канала и к боковым стенкам поплавков прикре-
плялись модели якорных цепей. В качестве этих
моделей использовалась малорастяжимая тонкая
(диаметром 0.2 мм) стальная рыболовная прово-
лока, которая одинаково натягивалась к якорным
кронштейнам по идентичности тонального звуча-
ния, подобно настройке гитарных струн. В резуль-
тате гибкая завеса была установлена над релье-
фным дном канала с соблюдением заданной гео-
метрии (рис. 5) и поддерживающие ее поплавки
находились на фиксированной глубине, а модели
якорных цепей были равномерно натянуты.
При проведении визуализации в качестве кон-
трастного вещества использовались цветные чер-
нила и красители, а также поплавки, пенопласто-
вые шарики, древесные опилки и взвешенные ча-
стички диаметром порядка 1 мм нейтральной или
близкой к нейтральной плавучести. Цветные чер-
нила или красители вводились в поток посред-
ством миниатюрных трубок, закрепленных в дер-
14 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
Рис. 6. Размещение датчиков скорости, давления и
вибраций в измерительном участке
гидродинамического канала
жавках координатных устройств. В зависимости
от скорости набегающего потока расход красите-
лей регулировался, а координатные устройства да-
вали возможность расположить струйку красяще-
го вещества в то место, где необходимо было визуа-
лизировать течение. Наряду с этим, для оператив-
ности красящие вещества, находящиеся в полиэти-
леновых бутылках, посредством длинных тонко-
стенных трубок вводились в исследуемые области
вручную, создавая облако подкрашенной жидко-
сти. Использование разноцветных красителей по-
зволило определить характерные места формиро-
вания и развития вихревых систем и струйных те-
чений, которые возникали при обтекании как гиб-
кой завесы, так и поверхности канала вблизи нее.
Использование плавучих контрастных тел мало-
го размера, а также поплавков, которые перемеща-
лись на поверхности и в приповерхностном слое
потока, позволило определить направление дви-
жения поверхностного течения, а также оценить
его скорость. Цветные красители и частички ней-
тральной плавучести, которые перемещались в то-
лще воды (на фиксированной глубине), дали воз-
можность оценить поле течения и его скорость в
характерных областях максимальных нагрузок на
струенаправляющую завесу и на ее якорную сис-
тему.
При визуализации поля вихревого и струйно-
го движения использовалась подсветка лазерными
лучами и светодиодными ножами, что позволяло
исследовать вихревые течения в заданных плоско-
стях. Проследить за объемной картиной течения
контрастных покрытий и красящих веществ по-
зволяли мощные прожекторы и галогенные лам-
пы. Применение высокодобротных синхронизиру-
Рис. 7. Визуализация течения над дамбой модели
струенаправляющего сооружения
ющих импульсов света, электрических разрядов и
акустического излучения дало возможность син-
хронизировать визуальные исследования и ин-
струментальные измерения характеристик вихре-
вого движения.
Регистрация картин визуализации гидродина-
мических процессов была произведена видео- и
фотоаппаратурой, с последующей распечаткой
снимков и анализом полученных видеоматериа-
лов. Наиболее информативные кадры и картины
процессов оцифровывались и вводились в персо-
нальный компьютер для последующей обработки
и анализа с помощью специальных программ и ме-
тодик [8-10]. Результаты визуальных исследований
обрабатывались на специально созданных графи-
ческих станциях, где можно было провести уско-
ренное или замедленное воспроизведение видеоза-
писей либо покадровый анализ данных. Графиче-
ские станции на базе двух или четырехпроцессор-
ных компьютеров, обладающие повышенной памя-
тью и быстродействием, дали возможность наблю-
дать поведение контрастных веществ и меченых
частиц в сложном вихревом поле. Разрешение на
уровне единиц пикселей позволило довольно точ-
но определить траектории движения меченых ча-
стиц и векторы скоростей их переноса в вихревом
потоке.
При измерениях поля скоростей использовались
пленочные одно- и двухкомпонентные термоане-
мометры фирмы "Disa" , а также пьезокерамиче-
ские и пьезорезистивные датчики скоростного на-
пора или динамического давления, изготовленные
в виде трубки Пито (диаметр чувствительной по-
верхности 0.8 · 10−3 м и 1.2 · 10−3 м) (рис. 6).
Электрические сигналы от датчиков поступали
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий 15
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
Рис. 8. Визуализация приповерхностного слоя потока
перед полотном завесы
на комплект аппаратуры фирмы "Disa" , обе-
спечивающей работу термоанемометров в режи-
ме постоянной температуры. Показания осреднен-
ных и пульсационных скоростей (среднеквадрати-
чные значения) заносились в протоколы испыта-
ний для последующей обработки и анализа дан-
ных, а также вводились в компьютеры посред-
ством аналогово-цифровых преобразователей. Па-
раллельно этому электрические сигналы с выхо-
да блока усиления и линеаризатора типа 55М01
и 55D25 фирмы "Disa"регистрировались на че-
тырехканальном измерительном магнитофоне ти-
па 7005 фирмы "Bruel & Kjaer". Кроме того, на ма-
гнитофоне записывались сигналы от виброакселе-
рометров, которые были установлены на держав-
ках датчиков, на полотне завесы, на стенках изме-
рительных участков гидродинамического лотка и
канала для учета вибрационных помех на резуль-
таты измерений.
Экспериментальные исследования были прове-
дены с помощью группы датчиков скоростно-
го напора и термоанемометров, сигналы с кото-
рых оцифровывались восьми- или шестнадцатика-
нальными аналогово-цифровыми преобразовате-
леми (АЦП), которые были установлены в систем-
ные блоки персональных компьютеров. В иссле-
дованиях использовались преобразователи фирмы
"L-Card" (12-битовое АЦП "L-154" и 14-битовое
АЦП "Е-14-440"), оснащенные, в частности, паке-
тами прикладных программ математического мо-
делирования для решения задач технических вы-
числений, обработки и анализа эксперименталь-
ных данных "MatLab 9.0" , "LabView 9.1" , "Ori-
ginPro 8.5".
Программа проведения физического моделиро-
Рис. 9. Визуализация течения вблизи полотна завесы
частичками, имеющими положительную плавучесть
вания предусматривала использование визуаль-
ных и инструментальных методов исследований.
Визуализация течения различными методами по-
зволила определить характерные области эволю-
ции струйного и вихревого течения в окрестности
гибкой завесы и входного участка модели струе-
направляющего сооружения. В результате полу-
чены траектории движения подкрашенных обла-
стей жидкости, направления движения меченых
частиц и оценены их скорости переноса. В хара-
ктерных областях взаимодействия потока с поло-
тном завесы проведены измерения поля скоростей
и давления посредством специально разработан-
ных и изготовленных датчиков.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Согласно разработанной программе и методике ис-
следований красящие вещества вводились в поток
на различной его глубине и регистрировались ста-
ционарными и переносными видеокамерами. Ко-
гда краска вводилась перед дамбой (рис. 7), то
она перемещалась с ускорением над поверхностью
дамбы. При этом скорость переноса контрастно-
го вещества была ниже над той частью дамбы,
которая находится вблизи тупиковой части стру-
енаправляющего сооружения. За дамбой краска в
приповерхностном слое потока устремлялась к по-
лотну завесы (рис. 8), а затем вдоль полотна пере-
носилась в сторону открытого водохранилища. Ре-
зультаты исследований показали, что вблизи дам-
бы перед областью сужения потока наблюдается
возвратное течение. Вблизи полотна завесы под-
крашенная жидкость, перемещаясь наружу из мо-
дели струенаправляющего сооружения, также пе-
16 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
Рис. 10. Поле скорости приповерхностного слоя потока вблизи струенаправляющего сооружения
реносится из приповерхностного слоя потока в его
придонную часть. Затем вдоль дна канала подкра-
шенная жидкость медленно перемещается к дам-
бе, указывая на то, что поток воды перед струе-
направляющим сооружением совершает циркуля-
ционное движение. Такое поперечное циркуляци-
онное течение с осью, направленной параллельно
срединной части завесы, особенно отчетливо про-
является в области наибольших глубин перед соо-
ружением (створы 12-18).
Использование легких частиц, обладающих по-
ложительной плавучестью, для визуализации по-
верхностного течения позволило выявить хара-
ктерные особенности этого течения. Во входной
части исследуемого сооружения плавающие ча-
стички показали относительную равномерность
поля скорости вдоль дамбы сооружения, а в его
тупиковой области отобразили направление дви-
жения поверхностного слоя потока. Для большой
скорости потока (0.2 м/с) плавающие частички по-
зволили обнаружить места циркуляционного тече-
ния, а также области повышенных скоростей вбли-
зи полотна завесы (рис. 9). Установлено, что с уве-
личением скорости в срединной части полотна за-
весы плавающие частички подходят на большее
расстояние до завесы, из-за интенсивного течения
вдоль нее.
Одновременно с визуализацией течения прово-
дились измерения скорости потока над дамбой и
внутри гидродинамического лотка с помощью да-
тчиков динамического давления и пленочных тер-
моанемометров. По измерениям скорости потока
в лотке определялся расход воды в лотке, кото-
рый был равен расходу в гидродинамическом ка-
нале. По этому расходу рассчитывалась среднера-
сходная скорость над дамбой. В ходе эксперимен-
тальных исследований среднерасходная скорость
над дамбой модели струенаправляющего сооруже-
ния изменялась от 0.06 до 0.2 м/с, что соответ-
ствовало натурным среднерасходным скоростям
от 0.3 до 1 м/с или от 0.7Umax до 2.3Umax, где
Umax=0.44 м/с – скорость потока над дамбой для
максимального расхода теплого отсека.
Характерные примеры распределения скоро-
стей над дамбой и вблизи полотна завесы моде-
ли струенаправляющего сооружения представле-
ны на рис. 10 и 11 для среднерасходной скорости
над дамбой модели 0.09 м/с или для натурной ско-
рости 0.44 м/с, которая соответствует максималь-
ному расходу 147.7 м3/с через водосливную дамбу
теплого отсека. Для этих скоростей число Фруда,
рассчитанное по глубине потока над дамбой в на-
турных либо в лабораторных условиях, составляет
0.12. На рис. 10 приведены результаты измерения
поля скорости в приповерхностном слое на глуби-
не (1...1.2) м в пересчете для натурных условий.
Обнаружено, что над дамбой скорость растет при
приближении к выходной части струенаправляю-
щего сооружения и это обусловлено тормозящим
действием тупиковой части сооружения на поток.
В приповерхностном слое тупиковой части соору-
жения наблюдаются циркуляционные области и
области заторможенного течения. Вдоль полотна
завесы течение направлено параллельно полотну и
ускоряется с удалением от тупиковой части соору-
жения. Над областью подъема дна водохранили-
ща (створы 19-21) перед полотном завесы в припо-
верхностном слое наблюдается ускорение потока и
относительно резкое изменение направления его к
выходу из сооружения. В области изгиба завесы
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий 17
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
Рис. 11. Поле скорости придонного течения вблизи струенаправляющего сооружения
(створы 30-32) поток с высокой скоростью натека-
ет на полотно завесы. Обнаружено, что в пересче-
те для натурных условий максимальная скорость
в приповерхностном слое на глубине около 1 м бу-
дет наблюдаться в области сужения потока и до-
стигнет значения порядка (0.65...0.75) м/с.
Поле скорости в придонной области исследуе-
мой модели струенаправляющего сооружения на
расстоянии порядка 0.02 м (0.5 м для натуры)
представлено на рис. 11. Здесь поле скорости су-
щественно отличается от того, которое измерено
в приповерхностном слое. Вблизи дна, особенно
в тупиковой области и области наибольших глу-
бин перед полотном завесы, зарегистрировано во-
звратное течение, которое имеет направление от
завесы к дамбе, что подтверждается визуальными
исследованиями, результаты которых приведены
выше. У вершины дамбы со стороны струенаправ-
ляющей завесы наблюдается относительно высо-
коскоростное течение, направленное от тупиковой
части сооружения в сторону его выхода. При этом
скорость этого течения растет с приближением к
выходу из сооружения, но перед берегом, высту-
пающим в водохранилище (сужение потока), за-
фиксировано низкоскоростное возвратное течение.
В области сужения потока скорость придонного
течения увеличивается подобно течению в припо-
верхностном слое потока.
Итак, результаты измерения поля скорости в
приповерхностном слое и в придонной области, пе-
ресчитанные для натурных условий с максималь-
ным расходом, показывают, что в потоке вблизи
струенаправляющей завесы существует интенсив-
ное поперечное циркуляционное течение, ось ко-
торого вытянута вдоль полотна завесы. Как пока-
зали визуальные исследования, наиболее отчетли-
во циркуляционное течение наблюдается в области
наибольших глубин перед полотном завесы.
Исследования, проведенные для меньших ско-
ростей потока, свидетельствуют, что с уменьше-
нием скорости циркуляционное течение вырожда-
ется и векторы скорости более плавно меняют на-
правление от перпендикулярного к завесе до па-
раллельного к ней. Для максимальных скоростей
потока, при которых проводились исследования,
характерные области формирования циркуляци-
онного и возвратного течения наблюдались более
отчетливо. Но отношение минимальных и макси-
мальных скоростей как в приповерхностном слое
потока, так и в его придонной части оставались
такими же, как для результатов, приведенных на
рис. 10 и 11. А именно, максимальные скорости во-
звратного течения составляли (0.05...0.1)U , а ма-
ксимальные скорости, наблюдаемые в области су-
жения потока, составляли (0.6...0.8)U .
ВЫВОДЫ
1. Разработан и изготовлен эксперименталь-
ный стенд, состоящий из гидродинамическо-
го лотка и канала, системы крепления мо-
дели гибкого полотна завесы, координатных
устройств, контрольно-измерительной аппа-
ратуры, средств визуализации потока, аппа-
ратуры анализа и регистрации данных.
2. Проведены экспериментальные исследования
гидродинамической структуры потока, кото-
рый обтекает модель струенаправляющего со-
18 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
оружения, и определены кинематические ха-
рактеристики струйного и вихревого течения.
Проведена визуализация вихревых образова-
ний посредством красящих веществ, которые
вводились в поток, и частиц положительной
плавучести, с одновременным измерением фи-
зических параметров потока. Выявлены хара-
ктерные особенности формирования и разви-
тия пристеночных течений вблизи гибкого по-
лотна завесы. Определено их влияние на ха-
рактеристики поля скорости.
3. Обнаружено, что скорость переноса контра-
стного вещества уменьшалась над той ча-
стью дамбы, которая находится вблизи тупи-
ковой стороны струенаправляющего сооруже-
ния (створ 8-15). За дамбой красящее веще-
ство в приповерхностном слое потока устрем-
ляется к полотну завесы, а затем вдоль по-
лотна переносится в сторону открытого водо-
хранилища. Вблизи полотна завесы подкра-
шенная жидкость переносится из приповерх-
ностного слоя потока в его придонную часть,
а далее, противоположно направлению пото-
ка, вдоль дна канала медленно перемещае-
тся к дамбе, указывая на то, что поток во-
ды перед струенаправляющим сооружением
совершает циркуляционное движение. Такое
поперечное циркуляционное течение с осью,
вытянутой параллельно направлению завесы,
особенно отчетливо проявляется в глубоково-
дной части сооружения. Обнаружено, что с
увеличением скорости плавающие частички в
срединной части полотна завесы подходят на
большее расстояние к ней из-за интенсивного
спутного течения.
4. В результате измерений поля скорости обна-
ружено, что над дамбой скорость растет при
приближении к выходной части струенаправ-
ляющего сооружения и это обусловлено тор-
мозящим действием тупиковой части соору-
жения на поток. В приповерхностном слое ту-
пиковой части сооружения наблюдаются цир-
куляционные области и области заторможен-
ного течения. Вдоль полотна завесы течение
направлено параллельно полотну и ускоряе-
тся с удалением от тупиковой части сооруже-
ния. Над областью подъема дна водохранили-
ща (створы 19-21) перед полотном завесы в
приповерхностном слое наблюдается ускоре-
ние потока и относительно резкое изменение
направления его движения к выходу из со-
оружения. В области изгиба завесы (створы
30-32) поток с высокой скоростью натекает на
полотно завесы.
5. Обнаружено, что в пересчете для натурных
условий максимальная скорость в приповерх-
ностном слое на глубине около 1 м будет на-
блюдаться в области сужения потока и до-
стигнет значения порядка (0.65...0.75) м/с.
Установлено, что на глубине 0.5 м над дном,
особенно в тупиковой области сооружения и
области наибольших глубин перед полотном
завесы, появляется возвратное течение, кото-
рое имеет направление от завесы к дамбе. Ма-
ксимальные скорости возвратного течения со-
ставляют (0.05...0.1) среднерасходной скоро-
сти над дамбой. У вершины дамбы со сторо-
ны струенаправляющей завесы наблюдается
относительно высокоскоростное течение, на-
правленное от тупиковой части сооружения
в сторону его выхода в водоем-охладитель.
При этом скорость этого течения растет с
приближением к выходу из сооружения, но
перед берегом, выступающим в водохранили-
ще (сужение потока), появляется низкоскоро-
стное возвратное течение со скоростью поряд-
ка 0.05 м/с. В области сужения потока ско-
рость придонного течения увеличивается по-
добно течению в приповерхностном слое пото-
ка.
1. Романенко В. Д. Гiдроекологiчна безпека атомної
енергетики в Українi / В.Д. Романенко, М.I. Ку-
зьменко, С.О. Афанасьєв, Д.I. Гудков [и др.] //
Вiсник НАН України.– 2012.– № 6.– С. 41–51.
2. Доманов В. Н. Процессы тепломассообмена
водоемов-охладителей с атмосферой / В.Н. До-
манов, А.Г. Костин, Е.И. Никифорович.– Киев:
Наукова думка, 2011.– 320 с.
3. Антонова Л. Н. Назначение и особенности
условий работы водоемов-охладителей тепловых
и атомных электростанций / Л.Н. Антонова,
Г.И. Канюк, Т.Е. Погонина, Д.М. Михайский [и
др.] // Восточно-Европейский журнал передовых
технологий.– 2012.– 2, № 10(56).– С. 55–63.
4. Омельченко М. П. Вопросы рациональных ком-
поновочных решений гидротехнических сооруже-
ний на водоемах-охладителях ТЭС и АЭС /
М.П. Омельченко, Л.Н. Антонова [и др.].– Харь-
ков: ХУПС, 2009.– 239 с.
5. Расчеты гидротермических и гидрохимических
показателей режима Ташлыкского водоема охла-
дителя методами трехмерного моделирования с
учетом расширения ТГАЭС// Отчет по договору
№ 2-Ю/07 от 30.11.2007.– К: УЦЭВП, 2008.–198 с.
6. Расчеты гидротермических показателей Та-
шлыкского водоема охладителя методами
трехмерного моделирования для обоснования
решений, разрабатываемых в рамках ТЭР по
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий 19
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 1. С. 10 – 20
улучшению охлаждающей способности ТВО с
учетом расширения Южно-Украинского энерго-
комплекса// Отчет по договору № 3-Ю/08 от
28.01.2009.– К: УЦЭВП, 2009.– 202 c.
7. Модельные исследования напряженно-
деформированного состояния полотна завесы
и динамических нагрузок на якорную систему
струенаправляющего сооружения в акватории
Ташлыкского водохранилища-охладителя Южно-
Украинской АЭС// Отчет по договору № 2-2014
от 25.06.2014.– К: ИГМ НАНУ, 2014.–143 c.
8. Adrian R. J. Particle imaging techniques for experi-
mental fluid mechanics / R.J. Adrian // Annu. Rev.
Fluid Mech.– 1991.– 23.– P. 261–304.
9. Faure T. M. Visualizations of the flow inside an
open cavity at medium range Reynolds numbers /
T.M. Faure, P. Adrianos, F. Lusseyran, L. Pastur //
Exp. Fluids.– 2007.– 42.– P. 169–184.
10. Воскобойник В. А. Визуализация вихревого тече-
ния внутри и вблизи поперечно обтекаемой оваль-
ной лунки на плоской поверхности / В.А. Воско-
бойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник //
Промышленная теплотехника.– 2014.– 36, № 3.–
С. 13–21.
20 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, И.А. Хижа, В.В. Хомицкий
|