Модель для исследования гидродинамического воздействия на преграду

 

Изобретение относится к модели гидродинамических сооружений, например к модели поперечной запани, устанавливаемых на реках для задержания сплавного леса. Целью изобретения является упрощение технологии изготовления модели. Модель поперечной запани содержит вертикальный щит 1 с горизонтальной 2 и вертикальной 3 направляющими с ползунами 4, 5 и блоками 6, 7, гибкий элемент 8 с имитаторами гидродинамической нагрузки по выполняемой ими функции 9, гибкие связи 10 и 11, штырь 12, кольца 13 и 14, прочные нитки 15 и 16, а также грузики 17 и 18 и при установке на полущит 1 ставят на стойках 19, на которой закреплена миллиметровка с двумя линиями 21 и 22. 1 п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к модели гидротехнических сооружений, например к моделям поперечной запани, которая устанавливается на реках для задержания сплавного леса.

При физическом моделировании используют бассейны, аэродинамические трубы, гидролотки. Все они представляют собой капитальные сооружения.

Модель морской платформы, выбранная в качестве прототипа, содержит основание, гибкий стержень (элемент), один конец которого расположен в фиксированной точке основания, и имитаторы гидродинамической нагрузки присоединены к гибкому стержню с интервалом, исключающим их взаимное касание (авт. св. СССР N 987008, кл. Е 02 В 1/02, 1981). Гидродинамическая нагрузка выполнена в виде пространственных призм или цилиндров.

Для изготовления модели надо подобрать гибкий стержень соответствующей жесткости и проверить его фактический прогиб отдельно и в сборе с секциями. Следует, заранее рассчитав гидродинамические характеристики (инерционные и скоростные) секций сопротивления, изготовить последние и проконтролировать результаты измерения волновой нагрузки в опыте. Технология изготовления модели достаточно сложная. Целью изобретения является упрощение технологии изготовления модели. Поставленная цель достигается тем, что модель поперечной запани, содержащая основание, гибкий элемент, один конец которого расположен в фиксированной точке основания, и имитаторы гидродинамической нагрузки по выполняемой ими функции присоединены к гибкому элементу с интервалом, исключающим их взаимное касание, снабжена горизонтальной и вертикальной направляющими с ползунами, двумя гибкими связями, двумя кольцами и имитатором натяжения гибкими элементами, причем основание выполнено в виде вертикального прямоугольного щита, на верхней и боковой сторонах которого установлены горизонтальная и вертикальная направляющие с ползунами, гибкий элемент в виде канатика, имитаторы гидродинамической нагрузки в виде прямых металлических стержней, а имитатор натяжения гибкого элемента в виде грузиков, подвешенных на свободных концах взаимноперпендикулярных прочных нитках, каждая из которых переброшена через установленный на ползуне горизонтальной или вертикальной направляющей блок и свободно присоединена к первому кольцу, при этом гибкий элемент одним своим концом через первую гибкую связь подвешен к первому кольцу, а другим концом через вторую гибкую связь - ко второму кольцу, свободно надетому на штырь, расположенному в фиксированной точке основания на основной стороне щита, противоположной стороне с вертикальной направляющей.

Использование в предлагаемом изобретении простых элементов (грузики, прочные нитки, металлические стержни, щит с направляющими, ползунами блоками и т. п. ) упрощает технологию изготовления поперечной запани. Кроме того, изобретение позволяет упростить методику испытаний, уменьшает трудоемкость, стоимость изготовления и проведения испытаний без привлечения капитального лабораторного оборудования (аэродинамические трубы, опытовые бассейны и т. п.).

На фиг. 1 представлена модель конкретной запани, общий вид; на фиг. 2 - канатик с прямыми металлическими стержнями; на фиг. 3 схема сил, приложенных к поперечной запани; на фиг. 4 тоже, приложенных к модели поперечной запани. Модель поперечной запани содержит вертикальный прямоугольный щит 17, с горизонтальной 2 и вертикальной 3 направляющими с ползунами 4, 5 и блоками 6, 7, гибкий элемент 8, имитаторы гидродинамической нагрузки по выполняемой ими функции 9, гибкие связи 10 и 11, штырь 12, кольца 13 и 14, прочные нитки 15 и 16; грузики 17 и 18. Щит 1 изготовлен из легкого материала (например, дерева), подвешен на стене или установлен на полу при помощи стоек 19, на котором помещена миллиметровка в двумя линиями 20 и 21. Направляющие 2 и 3, ползуны 4 и 5, блоки 6 и 7 могут быть выполнены из любого материала: металла, дерева, оргстекла. Ползуны 4 и 5 имеют стопор (на фиг. 1 не обозначен), обеспечивающий фиксированное положение ползуна на направляющей.

Гибкий элемент 3 выполнен в виде канатика (синтетического, пенькового и т. п.), своими концами присоединенного к петлям гибких связей 10 и 11. Последние изготовлены из прочных ниток (например, суровых). Связи 10 и 11 другими своими концами при помощи петель присоединены к кольцам 12 и 13. Кольцо 12 надето на штырь 13. К кольцу 13 посредством петель присоединены прочные нитки (например, суровые) 15 и 16. Нитка 15 переброшена через блок 6 и имеет на своем свободном конце грузик 17, а нитка 16 через блок 7 и имеет грузик 18.

Имитаторы гидродинамической нагрузки на выполняемой функции 9 выполнены в виде прямых металлических стержней, присоединенных к канатику 8 при помощи отрезков проволоки 20, приваренных или накрученных на концах стержня (фиг. 2).

Работу покажем на примере определения параметров запани, которой необходимо перекрыть реку с шириной А. Для запани известны значения погонного сопротивления r и ее длина L.

Прежде чем приступить к работе устанавливают линейный и силовой масштабы моделирования, рассматривая уравнения формы кривой запани: где Х и Y координаты поперечной запани ВОС, находящейся под воздействием течения реки со скоростью V и принимающей под воздействием начального сопротивления r форму кривой (1) с началом координат в точке 0 (весом поперечной запани пренебрегают); Т натяжение вдоль поперечной запани ВОС; r погонное гидродинамическое сопротивление поперечной запани, обтекаемого со скоростью V под углом 90^o; х и y координаты металлической цепочки, ВОС, примыкающей в поле ускорения силы тяжести g форму цепной линии с началом координат к точке 0; t_x горизонтальная составляющая натяжения цепочки ВОС, образованной прямыми имитаторами гидродинамической нагрузки на выполняемой ими функции 9, подвешенными к канатику 8; γ погонная масса цепочки ВОС. Из выражений (1) и (2) следует, что форма поперечной запани ВОС подобна форме цепочке ВОС, если выполняются условия (силовой и линейный масштабы): где l и L длина цепочки ВОС и поперечной запани ВОС, m линейный масштаб.

В соответствии с выбранным линейным масштабом m · l L и известным значением ширины реки А, погонного сопротивления r поперечной запани собирают цепочку длиной l= L/m, состоящую из "n" стержней 9 имитаторов гидродинамической нагрузки по выполняемой или функции, присоединенных к канатику 8. Масса каждого стержня и соответствующего отрезка канатика γ. При этом следует, что длина l₁ Kd цепочки соответствует длина L₁ KD участка запани, а его гидродинамическое сопротивление r соответствует массе g отрезка l₁ цепочки.

Собирают узлы модели согласно фиг. 1 и 2. Для этого нитки 10 и 11 выбирают длиной l₂ и l₃ равных, примерно, 3/4 L. Присоединяют их к цепочке ВОС. Нитку 10 подвешивают при помощи кольца 13 на штырь 12, а нитку 11 к кольцу 14, которое при помощи ниток 15 и 16, переброшенных через блоки 6 и 7 с грузиками 17 и 18 при этом равна, примерно, 1/2 a массы цепочки ВОС. Для удобства работы на щите располагают миллиметровку и проводят на ней две вертикальные 21 и 22 параллельные линии на расстоянии друг от друга а=А/m, причем линия 21 нанесена на расстоянии например, 1/2 а от штыря 12.

Процесс моделирования состоит в том, чтобы путем изменения: длин ниток 10 и 11; расположения штыря 12 по отношению к линии 20; величин масс грузиков 17 и 18; положения на направляющих 2 и 3 ползунов 4 и 5 с блоками 6 и 7; обеспечить условия, при которых нитка 15 расположится вертикально, а 16 горизонтально;
штырь 12 и кольцо 14 будут на одном уровне;
концы b и с цепочки ВОС расположатся соответственно на линиях 20 и 21.

В этом случае:
форма цепочки ВОС будет подобна форме поперечной запани ВОС;
согласно (3) сила , масса грузиков 17 и 18;
направления ниток 10 и 11 будет аналогично направлению лежней ЕВ и Е₁C, а длина последних L₂ ml₂ и L₃ ml₃;
На основании полученных данных выбирают прочностные характеристики лежня (диаметр, разрывное усилие и т. п.) расположение подвижных соединителей, анкеров, кнехтов и т. п.

При помощи модели оперативно решают различные задачи. Например, определяют характеристики несимметричной поперечной запани при заданных значениях L, r и А. В этом случае выше указанным способом надо вписать цепочку ВОС в параллельные прямые 20 и 21. Но может оказаться, что длинные цепочки (из-за рельефа берега) не хватает. Тогда следует длину увеличить и полученная длина l позволит определить длину L запани.

Формула изобретения

Модель для исследования гидродинамического воздействия на преграду, преимущественно на поперечную речную запань, содержащая основание, гибкий элемент, один конец которого закреплен к основанию, и имитаторы гидродинамической нагрузки, прикрепленные к гибкому элементу на расстояниях друг от друга, отличающаяся тем, что она снабжена двумя ползунами с блоками и фиксаторами, двумя гибкими связями с кольцами на одном конце, прикрепленными вторыми концами к концам гибкого элемента, и имитатором натяжения гибкого элемента, выполненным в виде двух грузиков, подвешенных на нитях, а основание выполнено в виде вертикального прямоугольного щита с горизонтальной и вертикальной направляющими на верхней и боковой кромках, в которых установлены ползуны, причем гибкий элемент выполнен в виде канатика, имитаторы гидродинамической нагрузки в виде металлических стержней, кольцо одной гибкой связи закреплено на противоположной боковой направляющей стороне щита неподвижно посредством штыря, а к концу другой гибкой связи присоединены концы нитей грузиков, перекинутых через блоки ползунов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4