PL171636B1

PL171636B1 - Sposób hydraulicznego rozgaleziania otwartego przeplywui hydrauliczne rozgalezienie kanalów PL

Info

Publication number: PL171636B1
Application number: PL93308758A
Authority: PL
Inventors: Anton Felder
Original assignee: Anton Felder
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 1997-05-30
Also published as: JPH08508071A; DE59303339D1; TR27196A; EP0673456A1; AU5624394A; ATE140744T1; DE4238830A1; WO1994011580A1; US5567079A; PL308758A1; MX9307190A; CN1103691A; EP0673456B1

Abstract

1. Sposób hydraulicznego rozgaleziania, otwartego przeplywu w co najmniej jednym pro- stym kanale z przeplywem glównym o okreslonej wielkosci i jednym lub wieloma przeplywami odga- lezionymi, znam ienny tym, ze przeciwko glówne- m u p ra d o w i k ie ru je sie m n ie jsz y stru m ie n impulsowy przeplywajacy do wspólnego zaokraglo- nego naroza (4) pomiedzy strumieniem glównym i strumieniem odgalezionym tak, aby strumien im- pulsowy wykorzystywal w rozwidleniu zjawisko Coanda eliminujac przeplyw strumieni wtórnych i obszar martwej wody. 7 Rozgalezienie hydrauliczne kanalów do rozdzielania cieczy, zwlaszcza wody w otwartych kanalach, majace kanal glówny oraz odgalezione od niego pod róznymi katami kanaly boczne, znamien- ne tym, ze pomiedzy kanalem wody doprowadzanej i kanalem odgalezionym ma zaokraglone w ksztal- cie luku kola naroze (4) oraz oddzielajaca sciane (3), ulozona przy narozu (4), równolegle do sciany ka- nalu wody doplywowej i tworzaca z narozem (4) wylotowa szczeline (7) tak, aby strumien impulso- wy wykorzystywal zjawisko Coanda przylegajac do obrzeza zaokraglonego naroza (4) jako strumien przyscienny F ig .1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób hydraulicznego rozgałęziania otwartego przepływu z co najmniej jednym prostym przepływem głównym określonego strumienia i jednym lub wieloma przepływami odgałęzionymi oraz rozgałęzienie hydrauliczne kanałów przeznaczone do rozdzielania cieczy, zwłaszcza wody w otwartych kanałach.

Dzielenie otwartych kanałów przeprowadza się w zupełnie specyficznych sytuacjach, mianowicie tam, gdzie woda musi być rozdzielona. Tego rodzaju zadania występują zarówno w budownictwie wodnym jak i w gospodarce osiedlowej, a także w technice nawadniania. Podczas gdy w instalacjach nawadniających woda musi być doprowadzona do pól, to przy odprowadzaniu ścieków należy ją często doprowadzić przez kanały rozdzielcze do kanału głównego i do basenu wodnego. We wszystkich zastosowaniach główną rolę odgrywa warunek równomiernego rozdzielenia medium. Znane rozgałęzienia mają postać połączonych z kanałem głównym bocznych kanałów, przy czym kanały te są połączone pod różnymi kątami.

W tego rodzaju rozgałęzieniach podstawowym problemem jest rozdzielenie strumieni, to znaczy wyznaczenie zależności stosunku strumieni rozchodzących się na boki do ciągłego obciążenia kanału dopływowego. Na wielkość przepływu ma przy tym trwały wpływ stosunek szerokości ba/bo (ba - szerokość kanału, bo - szerokość kanału dopływowego), kąt rozgałęzienia β i stosunek przepływu q = Qa/Qo (Qa - odpływ w kanale odgałęzionym, Qo - ilość dopływająca).

Dużą niedogodnością konwencjonalnych rozgałęzień kanałów jest występujące zjawisko odrywania warstw przyściennych i oddziaływania zakoli uniemożliwiającym równomierny względnie sterowany rozdział wody. Oprócz tego to zespolone zjawisko uniemożliwia zaprojektowanie równomiernego rozdziału przepływających strumieni cieczy.

Rozdzielające się strumienie mają strefę wody martwej po wewnętrznej stronie kanału odgałęzionego, a u dołu kanału występuje obszar odrywania się warstw przyściennych. Tworzy się następnie punkt spiętrzenia przepływu powodujący odrywanie, wypłukiwanie podłoża, ziemi przy krawędziach rozdzielających odgałęzienia. Linia podziału strumienia przebiega mniej więcej osiowo pomiędzy obydwoma gałęziami na krawędzi rozgałęzienia, natomiast przy dnie biegnie ona daleko w warstwie wody dolnej. W wyniku tego powstaje przepływ wtórny zgodny ze strefami wymywania to jest odrywania warstw, który wywołuje przepływ denny na dnie w kierunku kanału odgałęzionego. Na przepływ pierwotny nakłada się wtedy przepływ wtórny w kształcie spirali, który na powierzchni płynie do strony zewnętrznej, a w wyniku tego przy dnie płynie w kierunku strony wewnętrznej, do wewnątrz. Tak samo typowym jest spadek lustra wody w kierunku środkowego punktu zakola.

Celem wynalazku jest sposób hydraulicznego rozgałęzienia otwartego przepływu umożliwiający w pełni skuteczną i łatwiejszą regulację rozdziału wody, która jest w jak największym stopniu uniezależnia od stanu wody jak również ilości wody dopływającej, a także kąta rozgałęzienia i szerokości kanału.

Celem wynalazku jest także proste rozwiązanie konstrukcyjne hydraulicznego rozgałęzienia kanałów dla rozdziału wody w otwartych kanałach, które zabezpiecza lepszą regulację rozdziału niezależnie od stanu i poziomu wody, ilości wody napływającej, kąta rozwidlenia oraz szerokości kanału.

Cel ten został osiągnięty dzięki zastosowaniu sposobu hydraulicznego rozgałęziania, otwartego przepływu, z co najmniej jednym prosto przebiegającym przepływem głównym o określonej wielkości i jednym lub wieloma przepływami odgałęzionymi, który charakteryzuje się tym, że przeciwko głównemu prądowi kieruje się mniejszy strumień impulsowy przepływający do wspólnego zaokrąglonego naroża pomiędzy strumieniem głównym i strumieniem odgałęzionym tak, aby powodował on w rozwidleniu zjawisko Coanda eliminując przepływ strumieni wtórnych i obszar martwej wody.

171 636

Strumień impulsowy stanowi korzystnie 1/100 wielkości przepływu głównego i wydziela się go przed miejscem rozgałęzienia z części strumienia głównego i kieruje w rozszerzoną nieckę zaokrągloną do ścianki rozgałęzienia i oddzieloną od stłumienia głównego oddzielającą ścianą stanowiącą przegrodę strumienia odgałęzionego.

Strumień impulsowy korzystnie spiętrza się do wysokości szczeliny utworzonej pomiędzy oddzielającą ścianą i zaokrąglonym narożem odgałęzienia tak, aby wypływając z niej przylegał on do zakrzywionej ścianki odgałęzienia w celu równomiernego uformowania strefy prądów.

W wykonaniu alternatywnym mały strumień impulsowy zasila się obcą wodą (Qf) jako impuls obcy.

Pożądany rozdział wody steruje się poprzez zmianę wielkości strumienia impulsowego.

Rozgałęzienie hydrauliczne kanałów do rozdzielania cieczy, zwłaszcza wody w otwartych kanałach, mające kanał główny oraz odgałęzione od niego pod różnymi kątami kanały boczne, charakteryzuje się tym, że pomiędzy kanałem wody doprowadzającej i kanałem odgałęzionym ma zaokrąglone w kształcie łuku koła naroże oraz przegrodę ułożoną przy narożu równolegle do ściany kanału wody dopływowej i tworzącą z nim wylotową szczelinę tak, aby strumień impulsowy wykorzystywał zjawisko Coanda przylegając do obrzeża zaokrąglonego naroża jako strumień przyścienny. Kąt odwracający (α) przy zaokrąglonym narożu odpowiada kątowi odgałęzienia (β).

Szczelina wylotowa strumienia impulsowego ma różną wielkość pomiędzy narożem odgałęzienia i ścianą oddzielającą strumień impulsowy od kanału głównego. Ściana ta jest wklęsła i jest umieszczona na różnej głębokości dopływowej wody zależnie do zadanej funkcji żądanego spiętrzenia. Ściana oddzielająca ma w widoku z przodu kielichowaty kształt lub kształt odwróconej paraboli. Kanał wody dopływowej ma korzystnie w pobliżu zaokrąglonego naroża rozgałęzienia kształt wypukłej na zewnątrz niecki. Boczny kanał strumienia impulsowego jest najpierw bardzo płasko zakrzywiony, a następnie przed dojściem do zaokrąglonego naroża kanału odgałęzionego ma kształt niecki. W wykonaniu alternatywnym rozgałęzienie hydrauliczne kanałów do rozdzielania cieczy, zwłaszcza wody w otwartych kanałach charakteryzuje się tym, że ma zewnętrzny kanał obcej wody z zaokrąglonym w kształcie łuku koła narożem połączonym z kanałem odgałęzionym i tworzącym szczelinę wylotową pomiędzy ścianą kanału wody doprowadzanej i kanałem odgałęzionym obcej wody tak, aby strumień impulsowy obcej wody powodował zjawisko Coanda przylegając do obrzeża zaokrąglonego naroża kanału odgałęzionego jako strumień przyścienny.

Niespodziewanie stwierdzono, że przez wprowadzenie takiego małego impulsowego strumienia do rozgałęzienia, przepływ odbywa się w nim w sposób regulowany dzięki temu, że strumień odgałęziony stanowiący część strumienia głównego przylega całkowicie do zakrzywionej łukowatej na zakręcie ściany i przeprowadza strumień boczny do kanału odgałęzionego uniemożliwiając powstawanie strumieni wtórnych utrudniających przelotowość, jak również tworzenie się obszarów wody martwej. W celu odwrócenia zmiany kierunku strumienia zostaje odpowiednio wywołane zjawisko Coanda przez strumień impulsowy mający wyższą energię potencjalną. Bez zastosowania obcej energii wytworzy się spiętrzenie strumienia, którego przepływ zostaje zawężony i nakłada się na zakrzywioną ściankę powodując tym samym równomierne odkształcenie strefy prądów.

Według dalszej postaci wykonania wynalazku mały strumień impulsowy może być zasilany obcą wodą jako impulsem obcym. Na przykład przy ścianie strumienia głównego jest prowadzony równolegle do niego obcy strumień impulsowy aż do obszaru zaokrąglanego naroża przy którym przejmuje on swoje zadanie polegające naprowadzeniu strumienia częściowo wokół zakrętu naroża kanału.

Szczególnie interesująca jest możliwość sterowania rozdziału przepływającego medium w rozwidleniu kanałów, zwłaszcza wody, w zależności od wielkości impulsu wyjściowego. Rozwidlenie kanałów może być wykonane w ten sposób, że odchylający kąt α na zaokrąglonym narożu, które odpowiada kątów i odgałęzienia β jest zmienny i tym samym więc mogą powstawać różne wielkości szczelin wylotowych.

Wklęsła ściana w kanale wody dopływowej może przechodzić wprost przez całą głębokość wody. Jeśli dla określonych celów dąży się do prowadzenia przepływu szczególnie dużych' ilośc i

171 636 wody po dnie kanału, to wówczas wklęsłą ścianę odpowiednio formuje się na całej głębokości wody w ten sposób, że ściana w widoku czołowym ma kształt kielicha, to znaczy począwszy od dużej szerokości szczeliny na górze zwęża się parabolicznie do niewielkiej szczeliny na dole.

Jezeli na przykład z określonych powodów chce się uzyskać, aby na dnie przepływu impulsowego płynęło dużo wody, w celu na przykład oddziaływania w określony sposób na ten impuls, aby przykładowo spowodować obniżenie jego punktu oddziaływania, to w takim przypadku można zastosować kielichową konstrukcję odwróconą, w której szerokość szczeliny jest niewielka na górze i rozszerza się w kierunku do dołu na kształt odwróconej paraboli.

Każdorazowo zgodnie z zadanymi funkcjami należy więc przeprowadzić zmianę ukształtowania konstrukcji na całej głębokości wody. Ważne jest w każdym przypadku, aby zaokrąglone naroże tworzyło szczelinę wylotową z pionową osadzoną naprzeciwko ścianą.

Nie można zaprzeczyć, że przez wbudowanie określonych elementów w obszarze rozwidlenia lub innych rozwiązań konstrukcyjnych takich jak wklęsłe naroża i zwężenie kanału wody odpływowej były czynione próby osiągnięcia równomiernego względnie regulowanego rozdzielania wody w rozwidleniach kanałów, nigdy jednak nie stosowano środków hydraulicznych wykorzystujących tak zwane zjawisko Coanda.

Jak wiadomo, na działanie rozwidleń kanałów podstawowy wpływ ma stosunek szerokości ba/bo, kąt rozwidlenia β i stosunek przepływów q = Qa/Qo. Powoduje to, że rozdział wody w kanale odpływowym stale się zmienia i tym samym równomierny rozdział nigdy nie ma miejsca, względnie występuje tylko w bardzo rzadkich przypadkach. Oznacza to, że rozwiązanie według wynalazku stanowi zaskakujący krok naprzód.

Korzyści uzyskane ze stosowania wynalazku polegają przede wszystkim na tym, że rozdział wody może być sterowany przez strumień cieczy wypływającej ze szczeliny, który to strumień przy wykorzystaniu zjawiska Coanda przylega do zaokrąglonego naroża. Wpływający w ten sposób do odgałęzionego kanału strumień przyścienny powoduje, że w przeciwieństwie do konwencjonalnych, tradycyjnych kanałów odgałęzionych, nie może dzięki temu powstać obszar odrywania się warstw przyściennych po wewnętrznej stronie kanału odgałęzionego i strefa wody martwej w rozgałęzionym kanale. Obraz przepływu biorąc pod uwagę cały przekrój kanału jest uformowany równomiernie w stosunku do linii podziału prądu przepływu. Ten przebieg przepływu umożliwia obliczenie ilości przepływającej wody w odgałęzionych kanałach. Ogromne znaczenie ma również to, że do podzielenia wody po 50% do kanału odgałęzionego i kanału odpływowego potrzebny jest impuls wypływającego strumienia ze szczeliny o wielkości tylko 1/100 impulsu przepływu głównego.

Powszechnie pod nazwą zjawiska Coanda rozumie się odchylenie strumienia w kierunku do zakrzywionej ścianki. Przyleganie polega na oddziaływaniu podciśnieniowym w obszarze krawędzi strumienia. Przez otwarte kanały rozumie się kanały ze swobodnym zwierciadłem.

Przykładowe postacie wykonania wynalazku zostały dokładniej wyjaśnione na załączonym rysunku na którym fig. 1 - przedstawia schematyczny widok z góry pierwszej postaci wykonania wynalazku; fig. 2a, 2b, 2c - widoki z przodu kanału dopływowego z fig. 1; fig. 3 do 5 dalsze postacie wykonania wynalazku pokazanego na fig. 1.

W postaci wykonania według fig. 1 pokazane jest rozwidlenie T. Wklęsła ściana 3 w kanale wody dopływowej 2 jest zakrzywiona aż do zaokrąglonego naroża 4. Wklęsła ściana 3 tworzy razem z zakrzywioną na zewnątrz boczną stroną 5 kanału wody dopływowej mały kanał boczny 6, który zwęża się w kierunku do zaokrąglonego naroża aż do miejsca w którym uzyskuje się ponownie w przybliżeniu pierwotną szerokość bo kanału wody dopływowej przepływu głównego. Naprzeciwko kreskowanej linii kanału wody dopływowej jest zewnętrzna ściana boczna 5 kanału wody dopływowej, która w stosunku do linii prostej jest bardzo płasko zakrzywiona, a następnie przed podejściem do zaokrąglonego naroża 4 jest ukształtowana w postaci niecki. Ściana 5 jest więc rozszerzona na zewnątrz pod łagodnym kątem. Płynąca w małym utworzonym bocznym kanale 6 woda zostaje przed szczeliną 7 znacznie spiętrzona. Szczelina wylotowa 7 zostaje utworzona między wklęsłą ścianą 3 i przeciwległym zaokrąglonym narożem 4.

Zgodnie z wynalazkiem woda Qo płynie w kierunku strzałki do rozwidlenia T. Wklęsła ściana 3 powoduje w wodzie górnej pewne spiętrzenie, które w bocznym kanale 6 pozostaje utrzymane aż do szczeliny wylotowej. Ponieważ w bezpośrednim obszarze rozwidlenia T panuje jednak w przybliżeniu normalna głębokość wody, powstaje różnica potencjałów pomiędzy bocznym kanałem 6 i kanałem odgałęzionym 1. Różnica potencjałów powoduje z kolei, ze ze szczeliny wylotowej 7 wypływa strumień cieczy, który w wyniku zjawiska Coanda płynie wzdłuż zaokrąglonego naroża 4, poczym wpływa do kanału odgałęzionego 1. Następstwem tego jest równomierne uformowanie pola przepływu w rozwidleniu T w ten sposób, ze zostaje osiągnięty pożądany rozdział wody w zależności od wylotowego impulsu.

Zależności przepływu i możliwości sterowania wielkości impulsu wylotowego strumienia są pokazane na fig. 2a do 2c. Zgodnie z fig. 2a wklęsła ściana 3 jest prosta na całej głębokości wody, a zgodnie z fig. 2b jest ona na całej głębokości wody kielichowata, natomiast według fig. 2c ściana jest wykonana w kształcie odwróconego kielicha i powoduje przy każdej ilości dopływu Qo różne spiętrzenie w kanale wody dopływowej 2, a tym samym także zależny od tego zmienny impuls wylotowy strumienia. Jeżeli wielkość przepływu jest na całej głębokości wody w kanale bocznym jednakowa jak pokazano na fig. 2a, wtedy przepływ ten zmniejsza się w wyniku parabolicznego ukształtowania ściany 3 pokazanej na fig. 2b, natomiast przepływ zwiększa się w przypadku paraboli odwróconej, zgodnie z fig. 2c. Ściana 3 jest tak ukształtowana, że nie występuje odrywanie się warstw przyściennych.

Według następnej odmiany wykonania wynalazku wklęsła ściana 3 może być wykonana ze stosunkowo cienkiej blachy, aby przepływ kanału głównego oddzielić od kanału bocznego. W kanałach ściekowych możliwe jest stosowanie stali szlachetnej. Zakrzywienie ściany 3 nie może mieć większego skosu niż 8° w stosunku do kierunku przepływu głównego, aby wogóle wytworzyć pożądany efekt.

Na fig. 3 pokazano postać wykonania wynalazku, która może być zastosowana jeżeli kąt rozwidlenia zmienia się w zakresie od 10° do 160°. Te same oznaczenia odnoszą się do tych samych elementów.

Figura 5 przedstawia postać wykonania z dwoma odgałęzionymi kanałami, przy których podane są:szerokość ba i przepływ Qa. Jest to postać wykonania z impulsem energii obcej Qf, a przedstawiony układ jest w danym przypadku symetryczny. W tym przypadku dwie szczeliny wylotowe 7 przewidziane są naprzeciwko względem siebie.

171 636

Qo

Ot->

w-bo

Qf m'

Fig.5 to.

ba

K-X |Qa bu

Qu

171 636

Fig. 2c


©		'·	^5 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób hydraulicznego rozgałęziania, otwartego przepływu w co najmniej jednym prostym kanale z przepływem głównym o określonej wielkości i jednym lub wieloma przepływami odgałęzionymi, znamienny tym, że przeciwko głównemu prądowi kieruje się mniejszy strumień impulsowy przepływający do wspólnego zaokrąglonego naroża (4) pomiędzy strumieniem głównym i strumieniem odgałęzionym tak, aby strumień impulsowy wykorzystywał w rozwidleniu zjawisko Coanda eliminując przepływ strumieni wtórnych i obszar martwej wody.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień impulsowy stanowi 1/100 wielkości przepływu głównego.
3. Sposób według zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że strumień impulsowy wydziela się przed miejscem rozgałęzienia z części strumienia głównego i kieruje w rozszerzoną nieckę zaokrągloną do ścianki rozgałęzienia i oddzieloną od strumienia głównego oddzielającą ścianą (3) stanowiącą przegrodę strumienia odgałęzionego.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień impulsowy spiętrza się przed szczeliną (7) powyżej wysokości strumienia głównego powodując jego równoległy przepływ do zakrzywionej ścianki odgałęzienia i równomiernie uformowaną strefę prądów.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień impulsowy zasila się obcą wodą (Qf) jako impuls obcy.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pożądany rozdział wody uzyskuje się poprzez zmianę wielkości strumienia impulsowego.
7. Rozgałęzienie hydrauliczne kanałów do rozdzielania cieczy, zwłaszcza wody w otwartych kanałach, mające kanał główny oraz odgałęzione od niego pod, różnymi kątami kanały boczne, znamienne tym, że pomiędzy kanałem wody doprowadzanej i kanałem odgałęzionym ma zaokrąglone w kształcie łuku koła naroże (4) oraz oddzielającą ścianę (3), ułożoną przy narożu (4), równolegle do ściany kanału wody dopływowej i tworzącą z narożem (4) wylotową szczelinę (7) tak, aby strumień impulsowy wykorzystywał zjawisko Coanda przylegając do obrzeża zaokrąglonego naroża (4) jako strumień przyścienny.
8. Rozgałęzienie według zastrz. 7, znamienne tym, że zmienny kąt odwracający (α) przy zaokrąglonym narożu (4), odpowiada kątowi odgałęzienia (β).
9. Rozgałęzienie według zastrz. 7, znamienne tym, że szczelina wylotowa (7) ma różną wielkość pomiędzy narożem (4) i oddzielającą ścianą (3).
10. Rozgałęzienie według zastrz. 7, albo 8, znamienne tym, że ściana (3) jest wklęsła i jest umieszczona na różnej głębokości dopływowej wody (2) zależnie do zadanej funkcji żądanego spiętrzenia.
11. Rozgałęzienie według zastrz. 10, znamienne tym, że ściana (3) ma w widoku z przodu kielichowaty kształt.
12. Rozgałęzienie według zastrz. 10, znamienne tym, że ściana (3) ma w widoku z przodu kształt odwróconej paraboli.
13. Rozgałęzienie według zastrz. albo 7, albo 8, znamienne tym, ze ściana (5) kanału wody dopływowej ma w pobliżu zaokrąglonego naroża rozgałęzienia kształt wypukłej na zewnątrz niecki (5).
14. Rozgałęzienie według zastrz. 13, znamienne tym, że boczny kanał (6) jest najpierw bardzo płasko zakrzywiony, a następnie przed dojściem do zaokrąglonego naroża (4) ma kształt niecki.
15. Rozgałęzienie hydrauliczne kanałów do rozdzielania cieczy, zwłaszcza wody w otwartych kanałach, mające kanał główny oraz odgałęzione od niego pod różnymi kątami kanały boczne, znamienne tym, że ma zewnętrzny kanał obcej wody (Qf) z zaokrąglonym w kształcie łuku koła narożem (4), połączonym z kanałem odgałęzionym (1) i wyznaczającym szczelinę

171 636 wylotową (7) pomiędzy ścianą kanału wody doprowadzanej i kanałem odgałęzionym obcej wody (Qf) tak, aby strumień impulsowy obcej wody wykorzystywał zjawisko Coanda przylegając do obrzeza zaokrąglonego naroża (4) jako strumień przyścienny.