Гидродинамические средства обустройства акваторий

 
 
 
 
 
 
 

 
 

А. Г. Поздеев               Ю. А. Кузнецова 

 
 
 

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА 

ОБУСТРОЙСТВА АКВАТОРИЙ 

 
 
 
 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2014 

 
УДК 630.378:630.116.7 
ББК 26,22:43 
       П 47 
 
 
 

Р е ц е н з е н т ы :  

А. Ю. Мануковский, доктор технических наук (ВГЛТА) 

А. И. Павлов, доктор технических наук (СыктГУ) 

Г. И. Миронов, доктор физико-математических наук (МарГУ) 

 
 
 
 
 

Поздеев, А. Г.

П 47
Гидродинамические средства обустройства акваторий: моно
графия/ А. Г. Поздеев, Ю. А. Кузнецова. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2014. 
– 164 с.
ISBN 978-5-8158-1387-8

Рассмотрены гидродинамические регуляторы скорости поверх
ностной части водоемов и водотоков. Изложены принципы использования устройств в практике обустройства акваторий и приведены сравнительные данные для регулирования кинематических характеристик 
потоков.

Для научных работников, аспирантов и студентов, изучающих про
блемы гидродинамики, эксплуатации гидроузлов, природообустройства
и водных ресурсов.

 

УДК 630.378:630.116.7 
ББК 26,22:43 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-8158-1387-8
© Поздеев А. Г., Кузнецова Ю. А., 2014
© Поволжский государственный
технологический университет, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 

Предисловие
5

Введение
7

Глава 1.
Способы регулирования кинематических характеристик потока
9

1.1.
Анализ существующих средств воздействия на транспортные и переместительные характеристики потока
9

1.2.
Гидродинамические вопросы разработки регуляторов скорости поверхностной части потока
12

Глава 2.
Динамические регуляторы потока и движители. 
Принцип действия и методы расчета
18

2.1.
Гаситель скорости поверхностной части потока 
ГСП-1
18

2.2.
Регулятор скорости потока РСП-1
24

2.3.
Регулятор скорости потока РСП-2
28

2.4.
Гидравлический ускоритель ГУ-1
34

2.5.
Регулятор скорости потока РСП-3
43

2.6.
Регулятор скорости потока РСП-4
46

Глава 3.
Математические модели расчета динамических 
систем формирования искусственных гидравлических потоков
54

3.1.
Формирование искусственных гидравлических потоков системой распределенных гидродинамических 
особенностей
54

3.2.
Определение теоретической циркуляции вокруг нестационарных профилей
58

3.3.
Машущее крыло и его геометрические характеристики. Колеблющаяся решетка профилей
67

3.4.
Условия самосохранения следовых характеристик 
искусственных потоков. Использование косых дорожек для компенсации подсасывающего действия 

свободной поверхности
74

3.5.
Волновые процессы на поверхности при работе динамических регуляторов потока. Определение количества движения в поверхностной и придонной частях потока в присутствии вихревой дорожки
79

3.6.
Механизм образования следа за нестационарным 
профилем. Отрыв потока
88

Глава 4.
Экспериментальные исследования гидродинамических средств обустройства акваторий
106

4.1.
Описание экспериментальных установок и моделей
106

4.2.
Описание измерительной аппаратуры
115

4.3.
Задачи экспериментальных исследований
119

4.4.
Определение условий моделирования изучаемых 
процессов
124

4.5.
Неустановившееся движение
127

4.6.
Результаты экспериментов
138

Глава 5.
Схемы технологического использования динамических систем
151

5.1.
Использование ГСП-1, РСП-1, РСП-2, РСП-4 для 
торможения гидротранспортных потоков 
151

5.2.
Схемы использования РСП-1, РСП-2, РСП-3, РСП-4, 
ГУ-1 для формирования искусственных гидротранспортных потоков
156

Заключение
161

Библиографический список
162

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
Термин «обустройство акваторий» подразумевает техногенное 

воздействие на гидрологические и гидравлические параметры водоемов и водотоков, обеспечивающее сохранение устойчивости их дна и 
берегов и создание благоприятных условий для водопользования и 
водоотведения. 

Существующие средства воздействия на параметры водных объ
ектов, ветровые условия и русловые процессы носят преимущественно стационарный характер и имеют ограниченные возможности 
регулирования параметров. Периодическое изменение гидрологических параметров, вызываемое климатическими условиями, а также 
регулирующим воздействием антропогенного характера, приводит к 
необходимости создания мобильных средств регулирования гидравлических параметров водоемов и водотоков. 

В этой связи в настоящей работе предусматривается замена ста
ционарных систем регулирования параметров потоков динамическими системами на основе пространственно распределенных профилей, 
имеющих различную кинематику. При подобном воздействии на поверхностную часть потока обеспечивается равномерность регулирования скоростей, а в ряде случаев и улучшение условий протекания 
русловых процессов в донной и береговой частях водоемов и водотоков.  

В работе предусмотрены теоретическое обоснование и экспери
ментальная проверка устройств динамического типа, направленных 
как на гашение избыточных скоростей, так и на ускорение поверхностной части водных потоков на локальных участках акваторий. 
Подобного рода устройства предназначены для организации сбора 
плавающих загрязнений с поверхности акваторий, создания направленных транспортных потоков лесоматериалов, древесного плавника 
и иных плавучих объектов к пунктам дальнейшего технологического 
использования. В качестве основных средств реализации указанных 
процессов рассмотрены машущее крыло, гребные винты и системы 
вращающихся тел. 

В основании теоретических положений, использованных для 

определения параметров потоков, возбуждаемых динамическими 
регуляторами, лежат теории пограничного слоя, прямых вихревых 

дорожек Т. Кармана и обращенных вихревых дорожек В. В. Голубева, комплексного анализа индуцированных скоростей. Теоретические 
положения проверяются на модельных устройствах в соответствии с 
теорией подобия и размерности.  

Таким образом, в работе выделяются теоретическая часть, 

направленная на определение кинематических характеристик возбуждаемых потоков, экспериментальная часть, связанная с проверкой выдвинутых теоретических положений, и технологическая, содержащая рекомендации по оптимальному применению разработанных гидродинамических средств обустройства акваторий. 

ВВЕДЕНИЕ 

 
В практике обустройства водных объектов возникает ряд проблем, 

связанных с созданием гибких, перестраиваемых технических и технологических средств воздействия на акватории водоемов. При этом 
должны изменяться как кинематические, так и динамические характеристики состояния поверхностных слоев воды в реках, озерах и водохранилищах. Известные механические ускорители достаточно эффективны при отсутствии течения, но имеют низкую эффективность при 
наличии течения с малыми скоростями. Используемые гидравлические 
ускорители отличаются неравномерностью формируемого скоростного 
поля по длине потока, образованием водоворотных зон из-за продольной неустойчивости струи и др. Существующие схемы гасителей скоростей потока имеют малую длину зоны эффективно погашенных скоростей и работоспособны до величины скорости основного потока не более 1,5 м/с.  

Устранение этих недостатков потокообразователей и гасителей 

можно осуществить путем совершенствования способов регулирования 
характеристик водного потока. В работе предложены новые регуляторы 
скоростей течения на основе виброколебательных схем возбуждения 
течений с концентрированной завихренностью.  

Целью исследования является разработка методик расчета гидроди
намических средств формирования и регулирования водных потоков на 
акваториях рек, озер и водохранилищ. Для ее реализации сформулированы следующие задачи: 

1) выполнить анализ существующих средств воздействия на транс
портные и переместительные характеристики поверхностной части потока; 

2) исследовать гидродинамические вопросы, связанные с разработ
кой средств обустройства акваторий рек, озер и водохранилищ; 

3) составить математические модели и разработать методы расчета 

регуляторов скорости поверхностной части потока на основе теории 
индуцирования скоростей распределенными гидродинамическими особенностями; 

4) разработать схемы технологического использования гидродина
мических систем обустройства акваторий. 

Научной новизной обладают гидродинамические методы расчета 

средств регулирования поверхностной части водного потока на основе 
теории индуцирования скоростей распределенными гидродинамическими особенностями. Технической новизной отличается формирование 
подхода к расчету потокообразователей и гасителей скоростей поверхностной части водного потока. 

Практическое значение исследований заключается в обосновании 

параметров эффективных гидродинамических регуляторов кинематических характеристик открытых русловых потоков. Полученные результаты могут быть использованы при разработке систем сбора древесной 
массы и мусора с акваторий водохранилищ, рыбонаправляющих систем 
и рыбопропускных сооружений, при проектировании средств обустройства судоходных путей, устройств ликвидации аварийных разливов 
нефти и т.д. 

Выводы и результаты исследований, изложенные в работе, базиру
ются на фундаментальных законах гидродинамики. Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается экспериментальными данными. 

Основные выводы и результаты исследований опубликованы в ряде 

научных изданий (Поздеев, 1983, 1997, 1998, 1999; Дмитриев, Поздеев, 
Царев, 1996; Дмитриев, Поздеев, 1997; Кузнецова, 2000; Поздеев, Царев, 2004; Поздеев, Кузнецова, 2004, 2013; Поздеев, Трухан, 2010; Поздеев, Полянин, Царев, Кузнецова, 2011; Кузнецова, Трухан, Габтрахманов 2011; Поздеев, Трухан, Габтрахманов, 2012; Кузнецова, Трухан, 
Цепелев, 2012), а также доложены на региональных, всероссийских и 
международных научно-практических конференциях: «Охрана и рациональное использование водных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1996-2001), 
«Наука и образование на службе лесного комплекса» (Воронеж, 2005); 
«Наука в условиях современности» (Йошкар-Ола, 2006, 2010); «Энергообеспечение и строительство» (Орел, 2009); «Исследования, технологии, инновации» (Йошкар-Ола, 2011, 2012), «Научные исследования и 
их практическое применение. Современное состояние и пути развития» 
(Одесса, 2012); «European Science and Technology» (Munich, 2014), где 
получили положительную уценку. 

Представленные в работе устройства и способы запатентованы 

авторами. 

 

Глава 1
СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА

 
 

1.1. Анализ существующих средств воздействия  
на транспортные и переместительные характеристики потока 

 

Средства воздействия на транспортную и переместительную харак
теристики потока и объекты, находящиеся в нем, могут быть разделены 
на механические и гидравлические. 

Механические средства оказывают непосредственное воздействие 

на плавающие объекты, путем механического контакта замедляя или 
ускоряя их движение. При условии расположения перемещаемых объектов в стоячей воде механические ускорители приводят тело в движение путем непосредственного механического контакта за счет создания 
касательных усилий, параллельных поверхности акватории. Механические гасители скорости движения, используемые при высоких скоростях течения в водотоках путем аналогичного контакта с плавающими 
объектами, вызывают уменьшение транспортной скорости относительно 
основного потока. Например, гаситель, предложенный Гипролестрансом и состоящий из 4-х прутяных барьеров, зажатых в деревянный брус, 
вращающийся вокруг своей оси. Гаситель не нашел широкого применения из-за сложности монтажа в скоростном потоке. Разновидностью 
этого гасителя является «пластина с прутяным барьером». Ширина пластины увеличена за счет барьера из прутьев. Общая ширина пластины, 
преграждающей путь потоку, составляет 0,5...0,6 м. Ветвистый барьер 
может быть заменен барьером из досок со щелями шириной 0,2...0,25 м.  

Воздействие механических ускорителей и гасителей на продвижение 

технологических объектов по поверхности воды может происходить как 
с верхней стороны на непогруженную часть плавающих тел, так и с 
нижней стороны на их погруженную часть. Подобного рода устройства, 
например, могут использоваться в составе устройств перемещения плавающих лесоматериалов на предприятиях лесной отрасли. 

Гидравлические средства оказывают опосредованное воздействие на 

плавающие объекты, замедляя или ускоряя поток в поверхностной части водоема. Устройства, образующие гидравлические струи, возбуждающие в водоеме вблизи его свободной поверхности искусственные 

гидравлические потоки, называются гидравлическими ускорителями 
(потокообразователи). 

Приведем классификацию гидравлических ускорителей [16]: 
1) по типу движителя различают потокообразователи с гребным 

винтом, с гребным колесом, с водометным движителем и насосные;  

2) по типу двигателя – с электродвигателем и двигателем внутренне
го сгорания;  

3) по форме струеобразующих насадков различают потоко
образователи с коническими, цилиндрическими, призматическими и 
другими типами насадков;  

4) по расположению в водоеме бывают надводные, подводные и 

донные потокообразователи.  

Гидравлические ускорители могут применяться при уборке древес
ного плавника из лесозащитных запаней ГЭС, в частности, на СаяноШушенской и Богучанской ГЭС, а также при очистке верхних бьефов 
иных гидроузлов от плавающего мусора. 

При больших скоростях течения (свыше 0,8 м/с) в ряде случаев при 

обустройстве акваторий могут применяться гидравлические гасители 
скорости течения. Опишем некоторые из гасителей, ориентируясь на 
обзор, приведенный в работе [55]. Наиболее широкое распространение 
получили гасители ЦНИИ лесосплава, создающие вертикальные циркуляционные течения жидкости при обтекании пластин, установленных 
под поверхностью воды поперек русла (рис. 1.1). В качестве пластин 
используют доски толщиной 30 мм, которые устанавливаются в пазах 
ограждающих бонов. Заглубление первой пластины t выбирается обычно 300 мм в соответствии с данными ЦНИИ лесосплава. Применение 
гасителя эффективно при бытовых скоростях потока в пределах от 0,55 
до 1,3 м/с. При этом скорости снижаются до 0,65 м/с.  

 

 

 

Рис. 1.1. Схема принципа действия пластинчатого гасителя ЦНИИ лесосплава