Key words: model of the drillability, the PDC bit, soft rock, Uzen field.
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017
91
УДК 519.67
А.Т. Кalbayeva, А.D. Kurakbayev, А.М. Brener, A.Zh. Usenova, S.D. Kurakbayeva
(M. Auezov South Kazakhstan State University, Shymkent, Kazakhstan
sevam@mail.ru, kalbaeva@mail.ru)
METHODS FOR CALCULATING THE WATER FILTRATION THROUGH THE DAM WITH
THE DAMAGED UPPER AND LOWER POOLS
Annotation. The technique of the boundary element method is used for the numerical solution of fluid-filtering
problem from open water through the dam with damaged head and tail ponds of the dam. water. The corresponding
software in the environment of visual programming Delphi 7 has been worked out. A comparison between the results of
calculations of for the potential during the flow with free surface through the dam with only head water damaged to the
upstream, that has done previously and the damaged upper and lower pools has been carried out. The results of model-
ing and computer simulation show the possibility of a significant impact of the areas of erosion of the dam on the wet-
ted volume of the dam and, accordingly, to the filtrate flow rate even in the case of relatively small amounts of damage.
Key words: water filtration, dam, earth block, boundary element method, free surface
Introduction
The water filtration through earth dams plays very important role in the National economy. The statis-
tics shows that more than half of all accidents of earth dams occur owing to the water filtration. Therefore,
when designing and engineering the earth dams it is necessary to carry out filtration calculation, in the course
of which the depression curve position in the dam body should be established; to determine filtration flow
gradients and rate of filtration speeds; to determine the filtration consumption through the dam body and its
base. Currently there are many offers for the filtration calculation methods through the earth dams [1-3].
However, analysis of situation, when the dam consistency damages are possible, is of great importance
[4,5]. More often, the most wash upper and lower dam pools are damaged like that.
This paper adduces computational solution of the problem of liquid filtration from surface water
through the dam, taking into account the damaged upper and lower dam pools.
1. Methods and results of the calculation
The boundary element method scheme, which demonstrated great possibilities when solving problems
with free surfaces, was used [6].
It was accepted that the medium is homogeneous and isotropic, therefore the problem comes to La-
place equation with respect to velocity potential u:
0
u
(1);
with boundary conditions:
q=0 on the impermeable boundary (AF surface in Figure 1) (2);
u=const on the surfaces ABC and EF of the porous medium (3);
2
x
u
– on the filtration surface DE (4);
2
x
u
and q=0 on the free surface СD (5).
ABC: u=H
c
, CD:
2
x
u
, q=0, DE:
2
x
u
, EF: u=H
E
, AF: q=0
Fig. 1. The boundary conditions in the problem on water flow with free surface
●
Технические науки
92
№1 2017 Вестник КазНИТУ
At the numerical calculation of this problem the free surface initial position is defined in an arbitrary
way, and, besides, in all points of this surface q=0 convention is accepted. The determined potential value
for each nodal point of the free surface is compared with the water surface height. If difference among them
is higher than the maximal permissible error, this difference will be algebraically summarized with the sur-
face height in the corresponding nodal point and new iteration will be carried out.
21=20
19
22 18 17 16
23 15 14
13 12
11 10
8
24=1 2 3 4 5 6=7
j=
6
,
1
q
j
=0, j=
9
,
7
u
j
=0.1, j=
20
,
10
q
j
=0, u
j
=x
2
j=
24
,
1
2
u
j
=0.5
Fig. 2. The boundary element arrangement scheme for the soil unit
Figure 2 shows the boundary element division in the problem on the flow with the free surface through
the unit from porous material. The heights of the upper and
lower pools form respectively 0,5 and 0,1 with respect to the reference surface.
Final position of the free surface was obtained after the 6
th
iteration [7].
Let’s consider in details the problem on the filtration through the dam with the damaged upper and
lower pools of the porous medium (Figure 3), where section АВСК, LEF – fragment of the upper and lower
dam pools respectively. Therefore, the boundary conditions for the problem on the water flow through the
dam will be different (Figure 3).
Fig. 3. The boundary conditions in the problem on the water flow through the dam with the damaged pools
The boundary element arrangement scheme for the soil unit at the flow with the free surface through
the dam with the damaged upper (at the top) and lower dam pools is shown on Figure 4. The boundary ele-
ment arrangement scheme for the soil unit at the flow with the free surface through the dam with the dam-
aged upper (in the middle) and lower dam pools is shown on Figure 5.
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017
93
а) - (
2
,
0
3
1
х
,
6
,
0
6
1
х
) b) - (
3
,
0
3
1
х
,
5
,
0
6
1
х
)
Fig. 4. The boundary element arrangement scheme for the soil unit with the damaged pools
(beginning of the damage at the dam top)
а) - (
2
,
0
3
1
х
,
6
,
0
6
1
х
) b) - (
3
,
0
3
1
х
,
5
,
0
6
1
х
)
Fig. 5. The boundary element arrangement scheme for the soil unit with the damaged pools
(beginning of the damage in the dam middle)
The software was developed in Delphi 7 visual programming environment. The program contains all
necessary data and solutions of the problem, final position of the free surface for the problem with the dam-
aged dam only for the upper pool was obtained after the 7
th
iteration, and final position of the free surface for
the problem with the damaged dam and the lower and upper pools was obtained after the 11
th
iteration. Fig-
ures 6 and 7 shows comparison between the calculated results for the potential at the flow with the free sur-
face through the dam with the damaged only upper pool made earlier and the dam with the damaged upper
and lower pools [8].
●
Технические науки
94
№1 2017 Вестник КазНИТУ
- a case of the undamaged dam
- a case with the damaged upper dam pool (
2
,
0
3
1
х
,
2
,
0
4
1
х
)
- a case with the damaged upper dam pool (
3
,
0
3
1
х
,
3
,
0
4
1
х
)
- a case with the damaged lower and upper dam pools (
2
,
0
3
1
х
,
6
,
0
6
1
х
)
- a case with the damaged lower and upper dam pools (
3
,
0
3
1
х
,
5
,
0
6
1
х
)
Fig. 6. Comparison of the calculated results for the potential at the flow with the free surface through the dam with the
damage at the top only of the upper pool and through the dam with the damage at the top of the upper and lower pools
- a case of the undamaged dam
- a case with the damaged upper dam pool (
3
,
0
3
1
х
,
3
,
0
4
1
х
)
- a case with the damaged upper dam pool (
4
,
0
3
1
х
,
4
,
0
4
1
х
)
- a case with the damaged lower and upper dam pools (
2
,
0
3
1
х
,
6
,
0
6
1
х
)
- a case with the damaged lower and upper dam pools (
3
,
0
3
1
х
,
5
,
0
6
1
х
)
Fig. 7. Comparison of the calculated results for the potential at the flow with the free surface through the dam with the
damage in the middle of only the upper pool and the dam with the damage in the middle of the upper and lower pools
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017
95
The results of the modeling and computer experiment show possibility of significant influence of the
dam washout areas on the watered dam volume and, respectively, on the filtrate consumption even at rela-
tively small damage sizes.
Conclusions
Using the numerical experiment, the free boundary position at the liquid filtration through the dam
with the damaged upper and lower pools has been obtained and comparative analysis with the results, ob-
tained in the case of the damage of the upper dam pool only, has been carried out. It is seen from the results
that in the case with the damage of the upper dam pool there is more watering of the soil than in the case
with the damage of both dam pools. This is explained by the fact that the water flow at the damaged lower
dam pool will be faster and watering of the soil will be less.
The results of the work show effectiveness of the boundary element methods in the problems on mod-
eling and calculation of the liquid filtration through the soil dams.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Волков И.М., Кононеко П.Ф., Федичкин И.К. Гидротехнические сооружения. -М.: Колос, 1968.
[2] Liggett J.A. Location of Free Surface in Porous Media, J. Hydraulics Div.ASCE, vol.103,1977- p.353-365
[3] Калбаева А.Т., Куракбаева С.Д., Серимбетов М.А. Применение метода граничных элементов для ре-
шения задач фильтрации воды через дамбу // Наука и образование Южного Казахстана. –2010. - №2 (81).
– С. 84-87.
[4] Калбаева А.Т., Куракбаева С.Д., Бренер А.М.Решение задач фильтрации воды через дамбу с проры-
вами // Наука и образование Южного Казахстана. –2010. - №6 (85). – С. 94-98.
[5] Калбаева А.Т., Куракбаева С.Д., Бренер А.М. Моделирование фильтрации через дамбу с прорывами в
ортотропных средах // Сборник статей V Международной научной конференции «Инновационное развитие и
востребованность науки в современном Казахстане» (часть IV) естественно-технические науки.- Алматы, 2011.
– С. 105-108.
[6] Бреббия К., Телес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов. – М.: Мир, 1987. -524с.
[7] Калбаева А.Т., Бердалиева Г.А. Численное исследование фильтрации жидкости через дамбу с водоне-
проницаемыми закладными элементами // Сборник научных трудов аспирантов, магистрантов, стажеров-
исследователей ЮКГУ им. М.Ауезова. - Шымкент, 2002-№3. - C.8-11
[8] Кalbayeva А.Т., Kurakbayeva S.D., Kurakbayev А.D., Brener А.М. Mathematical model and software for meth-
ods of calculating liquid filtration through the soil dams // Herald of KazNRTU . – Аlmaty,2016. - №3 (115) –p. 311-316
Калбаева А.Т., Куракбаев А.Д., Бренер А.М., Усенова А.Ж.,Куракбаева С.Д.
Методика расчета фильтрации воды через дамбу с повреждением верхнего и нижнего бьефов
Резюме. В статье показана методика применения метода граничных элементов для численного
решения задачи фильтрации жидкости из открытого водоема через дамбу с учетом повреждений
верхнего и нижнего бьефов дамбы. Разработано соответствующее программное обеспечение в среде
визуального программирования Delphi 7. Проведено сравнение расчетных результатов для потенциа-
ла при течении со свободной поверхностью через дамбу с повреждением только верхнего бьефа, про-
деланное ранее и дамбу с повреждением верхнего и нижнего бьефов. Результаты моделирования и
компьютерного эксперимента показывают возможность существенного влияния областей размыва
дамбы на смоченный объем дамбы и, соответственно, на расход фильтрата даже при относительно
небольших размерах повреждений.
Ключевые слова: фильтрация воды, дамба, грунтовой блок, метод граничных элементов, сво-
бодная поверхность
Қалбаева А.Т., Құрақбаев А.Ж., Бренер А.М., Усенова А.Ж., Құрақбаева С.Ж.
Жоғарғы және төменгі бьефтардың зақымдануымен бөгет арқылы судың сүзуін есептеу әдісі
Түйіндеме. Бұл мақалада бөгеттің жоғарғы және төменгі бьефтардың зақымдануын ескере
отырып бөгет арқылы ашық су айдынынан сұйықтықтың сүзуінің есебін сандық шешуге арналған
элементтердің шекаралық әдісін қолданудың әдістемесі көрсетілген. Delphi 7 визуальдық бағдарла-
малау ортасында сәйкес бағдарламалық қамтамасыздандыру өңделді. Жоғарғы және төменгі бьеф-
тардың зақымдануымен бөгетпен бұрын жасалынған, ағымдағы беткейлі бөгет арқылы тек қана жо-
ғарғы бьефтің зақымдануымен әлеуеті үшін есептеу нәтижелерін салыстыру жүргізіледі. Үлгілеу жә-
не компьютерлік эксперимент нәтижелері бөгеттің шайып кету облысының бөгеттің батырылған кө-
леміне елеулі әсерінің мүмкіндігін және тиісінше тіпті салыстырмалы түрде шағын мөлшерде зақым-
данудан құралатын сүзінді судың шығынын көрсетеді.
Кілттік сөздер: суды сүзгілеу, дамба, топырақтық блок, шекаралық элементтер әдісі, еркін кеңістік
●
Технические науки
96
№1 2017 Вестник КазНИТУ
УДК 621.652
К. Елемесов, Е.К.Толымбеков
(Казахский национальный технический исследовательский университет им. К.И. Сатпаева)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОСИСТЕМЫ ГОРНЫХ МАШИН
С ПРИМЕНЕНИЕМ АРПМ
Аннотация. На сегодняшний день гидравлические машины (гидромоторы и гидронасосы)
нашли широкое применение в различных сферах промышленности, а также в крупных домашних хо-
зяйствах. Так как такие установки способны выдержать большие нагрузки, они эффективно приме-
няются на технических предприятиях, в водоснабжении участков, квартир и домов, а также в сило-
вых установках космических кораблей.
Существует большое разнообразие типов и конструкций гидравлических насосов, но всех их
объединяет единый принцип действия – вытеснение жидкости. Насосы, использующие принцип вы-
теснения, называются объемными. К таким устройствам относят аксиально-поршневе насосы кото-
рые являются самыми распространёнными в современных гидроприводах. По количеству конструк-
тивных исполнений они во много раз превосходят прочие типы гидронасосов. Они обладают
наилучшими габаритно-весовыми характеристикаму (иными словами, имеют высокую удельную
мощность) и высокии КПД. Насосы этого типа способны давать давление до 40МПа и работать на
высоких частотах вращения (насосы общего применения имеют частоты до 4000 об/мин, но суще-
ствуют специализированные насосы с частотами вращения до 20000 об/мин).
Ключевые слова: насосы, аксиально- поршневые насосы, давление.
Гидравлические насосы предназначены для преобразования механический энергии (крутящий
момент, частоту вращения) в гидравлическую (подача, давление). Существует большое разнообразие
типов и конструкций гидравлических насосов, но всех их объединяет единый принцип действия –
вытеснение жидкости. Насосы, использующие принцип вытеснения, называются объемными. Во
время работы внутри насоса образуются изолированные камеры, в которых рабочая жидкость
перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Поскольку между полостями всасывания
и нагнетания не существует прямого соединения, объемные насосы очень хорошо приспособлены для
работы в условиях высокого давления в гидросистеме.
Основными параметрами гидронасосов являются:
• Рабочий объем (удельная подача) [см
3
/об] – это объем жидкости вытесняемый насосом за 1
оборот вала;
• Максимальное рабочее давлени [МПа, bar];
• Максимальная частота вращения [об/мин];
При выборе типа насоса для гидросистемы необходимо учитывать ряд факторов свойственных
определенным типам насосов и особенности разрабатываемой гидросистемы. Основными
критериями выбора насоса являются:
диапазон рабочих давлений;
интервал частот вращения;
диапазон значений вязкости рабочей жидкости;
габаритные размеры;
доступность конструкции для обслуживания;
стоимость;
Далее будут рассмотрены аксиально- поршневые насосы с описанием их конструктивных
преимуществ и недостатков.
Аксиально-поршневые насосы – это разновидность роторно-поршневых гидромашин с
аксиальным расположением цилиндров (т.е. располагаются вокруг оси вращения блока цилиндров,
параллельны или располагаются под небольшим углом к оси).Существует деление по типу
вытеснителя на аксиально-плунжерные и аксиально-поршневые гидромашины. Отличаются они тем,
что в первых в качестве вытеснителей используются плунжеры, а во вторых — поршни см. рис.1.
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017
97
Рис. 1.
Насосы данного типа являются самыми распространёнными в современных гидроприводах. По
количеству конструктивных исполнений они во много раз превосходят прочие типы гидронасосов.
Эти насосы обладают наилучшими габаритно-весовыми характеристики (иными словами имеют
высокую удельную мощность), обладают высоким КПД.Насосы этого типа способны даватьдавление
до 40МПа и работать на высоких частотах вращения (насосы общего применения имеют частоты до
4000 об/мин, но существуют специализированные насосы этого типа с частотами вращения до
20000 об/мин).
Преимущества аксиально поршневого агрегата:
если сравнивать характеристики и работу аксиально поршневого насоса с другими подоб-
ными агрегатами, то они являются довольно компактными (вес установки относительно небольшой),
и при этом обладают довольно большой мощностью;
рабочие органы имеют небольшие размеры и обуславливают малый момент инерции;
в подобных машинах имеется возможность быстро регулировать частоту вращения;
кроме того, из преимуществ таких агрегатов стоит отметить, что они способны работать при
высоком давлении. При этом они функционируют со сравнительно большой частотой вращения и
имеют возможность менять рабочий объем;
диапазон вращения в подобных агрегатах составляет от 500 до 4 тысяч оборотов в минуту.
Это несомненное их преимущество по сравнению с гидромоторами и устройствами радиально-
поршневого типа;
такие машины без особых проблем могут выполнять свои функции при давлении до 35-40 ме-
гапаскалей. Для сравнения радиально-плунжерные устройства имеют максимальное рабочее давле-
ние 30-35 мегапаскалей.
Из недостатков следует выделить следующее:
высокая стоимость;
довольно сложная конструкция;
невысокая надежность. Возможны частые поломки при неправильной
эксплуатации;
существенная пульсация подачи и расхода;
большая пульсация давления во всей системе;
из-за высокой сложности устранение неисправностей аксиально
поршневых насосов может занять продолжительное время.
Достарыңызбен бөлісу: |