Водоструйный дефлектор

 

Использование: в гидротехнических сооружениях, в частности в устройствах для защиты молоди рыб от попадания в водозаборные сооружения. Сущность изобретения: дефлектор включает установленную в канале под углом к его оси преграду из вертикальных жалюзийных пластин, к верховым торцам которых которых крепятся отклонители из гибкого резинотканевого материала. К низовым торцам пластин в конце каждого участка преграды прикреплены перегородки. Отклонение молоди рыб к рыбоводу способствует уменьшению шага расположения жалюзийных пластин по направлению к рыбоводу и наличие отклонителей из гибкого материала. 5 ил.

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, более конкретно к устройствам для защиты молоди рыб у водозаборов.

Известны водоструйные дефлекторы, включающие косоустановленную в канале преграду (угол установки линии преграды к оси канала Θ = 10-16^о), состоящую из жалюзийных пластин постоянной ширины b и высоты h. Пластины имеют небольшую толщину t в зависимости от соотношения b и h. Жалюзийные пластины (плоскости пластин) образуют с направлением подходного потока угол α = 90^о. Через каждые пять пластин устанавливается лопасть для выравнивания потока перед преградой, а в нижней части преграды выполнен боковой рыбоотводной канал.

К недостаткам этих дефлекторов можно отнести неравномерное распределение удельных расходов по длине преграды - в концевой части преграды ( ≈1/3 длины преграды) они увеличены, а значит и увеличены скорости потока через жалюзи, что приводит к снижению эффективности отклонения рыбы в сторону рыбоотвода; металлические пластины наносят травмы рыбе в процессе контакта; большие потери напора (подпор перед линией преграды, так как угол установки пластин очень большой α = 90^о) на дефлекторе; для эффективного отвода рыбы необходим большой расход в рыбоотводе.

Указанные недостатки частично устранены в дефлекторах с направляющими лопатками, установленными в камере перед линией преграды.

Известен водоструйный дефлектор, имеющий камеру, в которой под углом Θ = 30^о к оси канала установлена преграда из жалюзийных пластин. Углы установки пластин с направлением потока составляют α = 60^о. В камере перед преградой установлены направляющие лопатки для равномерного распределения удельных расходов по длине преграды. В конце преграды имеется боковой рыбоотвод.

Однако, и этот дефлектор имеет следующие недостатки: установка направляющих лопаток снижает неравномерность распределения удельных расходов по длине преграды, но не устраняет полностью этого главного недостатка выполнения преграды с постоянным значением углов Θ и α по длине преграды; металлические пластины наносят травмы рыбе в процессе контакта; значительные потери напора, так как α = 60^о; большой расход рыбоотвода.

Целью изобретения является повышение эффективности и безопасности отклонения и отвода рыб от преграды при снижении расхода воды в рыбоотводе.

Указанная цель достигается тем, что в известном водоструйном дефлекторе, имеющем установленную в подводящем канале под углом Θ к оси канала преграду из вертикальных жалюзийных пластин, расположенных под углом α к оси канала, и рыбоотвод, расположенный в конце преграды у борта канала, преграда снабжена отклонителями и перегородками и выполнена в плане по кривой или ломаной линии, причем отклонители выполнены из гибкого резинотканевого материала и прикреплены к верхним торцам жалюзийных пластин, а перегородки прилегают к низовым торцам жалюзийных пластин, при этом шаг b расположения жалюзийных пластин и углы α и Θ уменьшаются по направлению к рыбоотводу и определяются по следующим линейным уравнениям регрессии с коэффициентом корреляции r b/l = -0,085 + 1,341 α ; r = 0,995, b/l = -0,509 + 3,504 Θ ; r = 0,875 в интервале 0,174 ≅ α ≅ 0,609. 0,174 ≅ ≅ Θ ≅ 0,34 и 0,2 ≅ b/l≅ 0,85, где l - заданная ширина пластин; b - шаг установки пластин; α - заданный угол расположения пластин к оси канала; Θ - угол установки преграды к оси канала.

На фиг.1 показан общий вид водоструйного дефлектора; на фиг.2 - фрагмент одной жалюзийной пластины толщиной t и шириной l, R - радиус отгиба гибкой полосы; на фиг. 3 - фрагмент двух жалюзийных пластин с указанием следующим геометрических и гидравлических параметров, план, где x,y - текущие координаты; α - угол между плоскостью пластины и направлением подходного потока; Θ - угол между линией установки преграды и направлением подходного потока; β - угол между линией установки преграды и нормалью к двум смежным пластинам
β = arctg ; (1)
Р - сила полного нормального давления подходного потока на жалюзийную пластину.

Р = ρ V_o² ˙ l ˙ sin α ˙ (sin α + 2cos α / π), (2) где ρ - плотность воды;
V_o - скорость течения подходного потока,
Р_n - лобовое сопротивление, P_m = P˙sin α ; (3)
P_t - подъемная сила, P_t = P ˙ cos α ; (4)
ОА - предельный ток, на котором подходная скорость V_o = 0 2Π·x·sinα-y·cosα+siny·ln + x·ϕ-(l-x) = 0, (5) где R₁=; R₂=; ϕ=arctg; ϑ = arctg(y/(l-x));
АВ - значение y при x = b/2 и равное b, т.е. y = b.

На фиг. 4 приведен расчетный график функциональных зависимостей b/l = f(α) и b/l = f(Θ); на фиг.5 - расчетный график зависимости коэффициента давления от угла α ;
P_i/P₉₀ = f(α), где Р_i - сила полного давления Р или ее составляющих: силы лобового сопротивления P_n, подъемной силы P_t,
P₉₀ - сила давления при α = 90, определяемая из зависимости (2).

Водоструйный дефлектор размещен в канале 1. Линия установки преграды 2 представляет собой ломаную линию, которая с направлением подходного потока 3 на трех участках составляет углы: Θ₁, Θ₂ и Θ₃. Жалюзийные пластины 4 имеют одинаковую ширину l на всех участках, но различный шаг между пластинами b: b₁, b₂ и b₃. К верховым торцам жалюзийных пластин крепятся отклонители 5 из гибкого резинотканевого материала. К низовым торцам жалюзийных пластин в конце каждого участка преграды крепятся перегородки 6. Длина этих перегородок назначается с учетом перекрытия участка преграды с заданным значением угла Θ. В конце преграды у борта канала выполняется рыбоотвод 7. Ширина l и толщина t жалюзийных пластин назначается конструктивно с учетом высоты h пластин (глубина воды в канале) и соблюдения требований жесткости и устойчивости конструкции под действием сил давления потока.

На практике используются следующие параметры:
= ÷ , меньшее отношение соответствует большей высоте пластин или большему значению глубины потока в канале;
= ÷ , меньшее отношение соответствует большей ширине пластины. Зная ширину пластины l и назначая угол α по зависимости (5) методом подбора, определяем значение y для текучих значений х. При x = l/2 находим значение y = b. Зная угол α из треугольника АВС с учетом (1) определяем угол Θ
α = 90 - (α + β) (6) Таким образом, определяем все значения y и строим предельный ток ОА (фиг.3). Смежную жалюзийную пластину устанавливаем так, что предельный ток заканчивается на верховом торце пластины. При таком подходе к конструированию линии (угол Θ ) пластин (l, b, t, α ) преграды добиваемся наилучшего отклоняющего действия срезаемых струй каждой пластиной и отвода рыбы в сторону рыбоотвода. Вдоль верховых торцов жалюзийных пластин струи как бы скользят в сторону рыбоотвода. Это положение способствует повышению эффективности отклонения и отвода рыбы от преграды к рыбоотводу.

Таким способом были выполнены расчеты для α = 2-45^о и построены графики b/l = f (α) и b/l = f(Θ ), представленные на фиг.4. Представляет интерес кривая b/l = f(Θ ). При α = 19,5^о кривая имеет максимум b/l = 0,85. При α = 10^о кривая b/l = f(Θ) пересекает кривую b/l = f(α) и значения углов Θ становятся больше значений углов α .

Исходя из этого, для конструирования преград принят следующий интервал параметров:
40 ≥ α ≥ 10; 19,5 ≥ Θ ≥ 10; 0,85 ≥ b/l ≥ 0,2. (7) Уравнения линейной регрессии для кривых b/l = f(α) и b/l = f(Θ) с коэффициентами корреляции r имеют следующий вид (углы α и Θ в радианах):
b/l = -0,085-1,341α , r = 0,995 (8)
b/l = -0,509 + 3,50 Θ , r = 0,875 (9) Теперь необходимо выполнить анализ сил потока, действующих на жалюзийные пластины. Такой анализ поможет определить не только действие сил на преграду, но и их действие на тело рыбы, находящейся у преграды. Чем больше сила потока, тем труднее рыбе ему противостоять. И наоборот, чем меньше сила давления потока, тем больше возможности для свободного плавания рыб. По зависимостям (2), (3) и (4) выполнены расчеты сил давления потока на пластины, установленные при различных углах α = 0-45^о(фиг.5). Анализ этих сил позволил сделать следующие выводы: с уменьшением угла α от 45 до 0^о сила полного давления и ее составляющие уменьшаются, значит преграды нужно конструировать с переменным значением угла α по длине преграды, что позволяет получить следующие положительные эффекты: падение силы давления потока вдоль преграды позволяет устранить нежелательный эффект сбоя потока в конец преграды и добиться равномерного перераспределения удельных расходов по ее длине, падение сил давления потока вдоль преграды позволяет рыбе свободно пройти к рыбоотводу, это снижение способствует сохранению энергии рыбы; с уменьшением углов α от 45 до 0^о происходит благоприятное для рыб изменение составляющих силы полного давления Р, лобовое сопротивление P_nимеет тенденцию резкого уменьшения и его абсолютное значение во всем диапазоне углов α меньше подъемной силы P_t, значит рыбу прижимает к пластинам с меньшей силой, с другой стороны, большее значение силы P_tспособствует отходу рыбы от преграды.

Водоструйный дефлектор работает следующим образом.

Подходной поток 3 с рыбой подходит в створ первых жалюзийных пластин 4. Рыба размером более 12 мм, способная проявлять реореакцию, чувствует локальные потоки, срезаемые торцами пластин, при помощи боковой линии. Угол установки пластин в первую очередь влияет на модели локальных потоков, которые, в свою очередь, влияют на поведение рыб. В подтверждение этого положения многие исследователи указывают на большую эффективность отвода лососевых рыб от жалюзийных преград в ночное время, когда зрительная ориентация рыб отсутствует. На первом участке преграды, где наибольшее значение углов α ₁ и Θ₁, а также максимальное значение b₁, поток испытывает подпоp и здесь наибольшее значение силы давления потока на жалюзийные пластины. Это приводит к интенсивному проходу потока сквозь жалюзи. Здесь удельный расход больше среднего значения на 15-20%. Вместе с тем здесь рыба еще имеет полный запас исходной энергии и может противостоять течению потока и не входить в зону струй, срезаемых торцами пластин. Если рыба каким-то образом сталкивается с пластиной, то она не получает травмы, так как удар смягчается на гибкой (мягкой) резинотканевой полосе 5. Это положение повышает эффективность безопасности отклонения и отвода молоди рыб от преграды и очистки преграды от мелкого мусора. На втором участке преграды значения α ₂, Θ₂и b₂ меньше, чем на первом участке. Поэтому здесь удельный расход падает до среднего и скорости сквозь жалюзи снижаются. Это благоприятно сказывается на поведении рыб, они имеют большую возможность свободно разместиться в струях воды, направленных к рыбоотводу 7. На третьем участке параметры α ₃, Θ₃ и b₃ меньше, чем на втором участке. Сила давления потока на пластины меньше чем на втором участке, поэтому удельный расход потока сквозь сетку здесь на 10-15% меньше среднего. На этом участке коэффициент давления P/P₉₀ = 0,15-0,3, в то время, как на первом участке он составляет 0,5-0,7, а на втором 0,3-0,5 (фиг. 5). На этом участке имеются облегченные условия для прохода рыбы в рыбоотвод. Этому способствует и увеличение скорости течения потока перед входом в рыбоотвод 7. Эта скорость на 20-30% больше скорости подходного потока. Перегородки 6 установлены для выпрямления потока, проходящего сквозь жалюзи 4.

Внедрение водоструйного дефлектора в народное хозяйство позволит достичь повышения эффективности и безопасности отклонения и отвода рыбы в рыбоотвод; уменьшение расхода рыбоотвода; исключения травмирования молоди рыб; снижения затрат на строительство преграды.

Формула изобретения

ВОДОСТРУЙНЫЙ ДЕФЛЕКТОР, включающий установленную в подводящем канале под углом Θ к его оси преграду из вертикальных жалюзийных пластин, расположенных под углом α к оси канала, и рыбоотвод, расположенный в конце преграды у борта канала, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и безопасности отклонения и отвода рыб от преграды при снижении расхода воды в рыбоотводе, преграда снабжена отклонителями и перегородками и выполнена в плане по кривой или ломаной линии, причем отклонители выполнены из гибкого резинотканевого материала и прикреплены к верховым торцам жалюзийных пластин, а перегородки прилегают к низовым торцам пластин, при этом шаг расположения жалюзийных пластин b и углы α и Θ уменьшаются по направлению к рыбоотводу и определяются по следующим линейным уравнениям регрессии с коэффициентами корреляции r:
= -0,085+1,341·α,
r=0,995;
= -0,509+3,504·Θ,
r=0,875
в интервале
0,174 ≅ α ≅ 0,609 ,
0,174 ≅ Θ ≅ 0,34 ,
0,2 ≅ ≅ 0,85,
где l - заданная ширина пластин;
b - шаг установки пластин;
α - заданный угол расположения пластин к оси канала;
Θ - угол установки преграды к оси канала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5