PL38868B1 - - Google Patents

Description

Opublikowano dnia 10 listopada 1956 r. lM POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Nr 388CS KI. 42 n, 11/50 liii. mgr Henryk Dziariik Polska Model elektryczny nieustalonego ruchy cieczy w otwartych lozyskach Patent trwa od dnia 7 grudnia 1954 r.Nieustalony ruch ctecigr w otwartych lo*ys- kach.np. r«h wody w rzece, inoee byc opisa¬ ny przez równania róinicakowe o pochodnych czastkowych. Rozwiazywanie tych równan na drodze matematycznej wymaga ogromnego na¬ kladu pracy tym wiekszego, im wieksza jest wymagana dokladnosc. Poniewaz w wielu dzie¬ dzinach techniki zachodzi potrzeba rozwiazywa¬ nia trudnych równan rózniczkowych stasuje sie w ostatnich czasach coraz czesciej modelowa¬ nie elektryczne wielkosci fizycznych w róznych ukladach elektrycznych, z których powszechnie znany jest tzw. „mózg elektryczny", przeinaczo¬ ny do rozwiazywania róznych problemów tech¬ niki Uniwersalny charakter maszyn matema¬ tycznych tego rodzaju pociaga za soba bardzo skomplikowana i kosztowna budowe oraz trud¬ ne odczyt3Wwanie wyników podawanych syste¬ mem umownych znaków.Przyfcladem maazyn matematycznych specjal¬ nie przystopowanych do jednago rodsaju zagad- nien moze byc analizator sieciowy do badan stanów nieustalonych w sieciach wysokiego na¬ piecia.Przedmiot wynalazku dotyczy urzadzenia ele¬ ktrycznego, przystosowanego specjalnie do roz¬ wiazywania równan rózniczkowych, opisujacych nieustalony ruch wody w rzece. Urzadzenie sta¬ nowi lancuch rawórndków, w których elementy np. oporniki i silniki sa dobrane odpowiednio do parametrów rzeki, np. profilu dna, tak iz kazdy czwórnik reprezentuje pewien jej odci¬ nek, np. odcinek rzeki o dlugosci 10 km. Wiel¬ kosci elektryczne, wystepujace w poszczególnych czwórnikach, np. prady, napiecia, moce, ilosci elektrycznosci, odpowiadaja róznym wielkosciom hydrotechnicznym, np. przeplywom, stanom wo¬ dy, przekrojom czynnym rzeki. Przy rozwiazy¬ waniu zagadnien hydrotechnicznych nalezy usta¬ wic odpowiednie wielkosci elektryczne na mo¬ delu, co odpowiada zadaniu warunków brzego¬ wych i poczatkowych przy rozwiazywaniu rów¬ nan rózniczkowych. Po uruchomieniu modelu przeprowadza sie ciagle lub dorywcze pomiaryodpowiednich wielkosci elektrycznych za pomo¬ ca mierników, wlaczonych w lych punktach modelu, które odpowiadaja w naturze wybra¬ nym miejscowosciom i odczytuje sie jako wiel¬ kosci hydrotechniczne w odpowiednio wybranej skali czasowej. W ten sposób przebieg kazdego zjawiska na rzece, np. przebieg fali powodzio¬ wej, mozna zbadac w sposób ciagly i bardzo do¬ kladny pod wzgledem ilosciowym i jakosciowym w ciagu kilkunastu minut, wynik zas moze byc samoczynnie zarejestrowany w postaci wykre¬ sów za pomoca aparatów piszacych. Poniewaz kazda wieksza inwestycja budownictwa wodne¬ go jest bardzo kosztowna i odpowiedzialna ze wzgledu na nieobliczalne skutki katastrofalnych powodzi, konieczne jest dokladne zbadanie wie¬ lu wariantów przed powzieciem najwlasciwszej decyzji co do rozmiarów, rozmieszczenia i ko¬ lejnosci budowy urzadzen hydrotechnicznych.Model elektryczny wedlug wynalazku umozli¬ wia przestudiowanie licznych wariantów w bar¬ dzo krótkim czasie, moze wiec przyniesc znacz¬ ne oszczednosci w gospodarce narodowej przez skrócenie czasu projektowania i zwiekszenie pewnosci dzialania urzadzen hydrotechnicznych.Model elektryczny wedlug wynalazku pozwo¬ li na zbadanie ilosciowe i jakosciowe nastepu¬ jacych zagadnien: 1) przebieg i transformacje fali powodziowej wzdluz calej rzeki przy dowolnych zalozeniach poczatkowych stanów na rzece i jej doplywach; 2) cofke na doplywach; 3) wplyw róznych zbiorników na przebieg fa¬ li powodziowej oraz ich znaczenie dla gospo¬ darki wodnej sezonowej i rocznej; 4) przebieg fali katastrofalnej w razie znisz¬ czenia którejkolwiek zapory wodnej; 5) optymalne wykorzystanie rzeki dla ener¬ getyki Na zalaczonym rysunku przedstawiono przy¬ klad wykonania wynalazku, przy czym fig. 1 przedstawia schemat kilku czlonów lancucha czwórników, fig. 2 zas — model elektryczny Wi¬ sly wraz z jej doplywami.Model elektryczny wedlug wynalazku jest przystosowany do rozwiazywania nastepujacych równan rózniczkowych Saint-Venanta: a- +^o li) ds at i—ah nu8, 1 3u.au au /rtl =—--i + — . . (2) h7s g a t g a s gdzie q oznacza przeplyw, u — szybkosc sred¬ nia wody, o) — przekrój czynny rzeki, h — gle¬ bokosc strumienia.Wielkosci te wystepuja w równaniu jako fun¬ kcje odleglosci s przekroju czynnego od prze¬ kroju poczatkowego i funkcje czasu t, liczonego od przyjetej chwili poczatkowej* Wspólczynniki stale w tych równaniach ozna¬ czaja: i — nachylenie1 powierzchni cieczy przy ruchu ustalonym, n — wspólczynnik chropowa¬ tosci lozyska, a X M — wspólczynnik nierów- noniiemosci pola szybkosci, g — przyspieszenie ziemskie.Ponadto wielkosci zmienne wystepujace w tych równaniach sa zwiazane dodatkowo dwie¬ ma nastepujacymi zaleznosciami: q = uco (3) (o =?(h) (4) Uklad równan 1 — 4 jest pelny li teoretycznie pozwala na jednoznaczne rozwiazanie przy za¬ danych warunkach poczatkowych i brzegowych.Rozwiazaniem bylyby funkcje, dajace zaleznosci którejkolwiek z wielkosci zmiennych q, u, co, lub h od zmiennych niezaleznych sit Dla poznania ruchu falowego najwazniejsze bylyby funkcje okreslajace przeplyw q i rzedna z, czyli q = fi {s, t) oraz z = f2 (s, t).Znalezienie takiej funkcji, np. z* = f przedstawiajacej nieustalone stany wody (np. fa¬ le powodziowa) na calej dlugosci rzeki i w ca¬ lym okresie czasu wystepowania zjawiska nie jest mozliwe w dzisiejszym stanie wiedzy. W zagadnieniach praktycznych trzeba zadowolic sie rozwiazaniami przyblizonymi), do których pro¬ wadzi droga dlugich i zmudnych obliczen, przy wprowadzeniu mniejszych lub wiekszych upro¬ szczen do. równan podstawowych i pogodzeniu sie z g6ry z wynikajacymi stad niedokladnoscia¬ mi. Uproszczeniem takim jest najczesciej pomi¬ niecie w równaniu dynamicznym (2) sil tarcia lub sil bezwladnosci, jak równiez zalozenie pry¬ zmatycznego ksztaltu koryta rzeki.Zasada budowy modelu polega na zestawieniu takiego ukladu elektrycznego, w którym prze¬ bieg okreslonej wielkosci elektrycznej, np. pra¬ du lub napiecia, bylby opisany za pomoca rów¬ nan o tej samej postaci co równania rózniczko¬ we dla ruchu wody w rzece.Uklad zawiera liczniki amperogodzin polaczo¬ ne róznicowo w ten sposób, ze kazdy licznik mierzy róznice liczb amperogodzin z dwóch sa¬ siednich obwodów. Szybkosc obrotowa jest pro¬ porcjonalna do róznicy pradów sasiednich obwo¬ dów. Bierze sie pod uwage, odcinek ds modelu, w którym obwody sa tak gesto rozmieszczone, - 2 -m iwan* uwaaac, iz posaaególne parametry sa rozlozone wzdluz, odcinka w sposób ciagly. Na ppaestrzeni odcinka dis przyrost ameprogodzin na wszystkich licznikach tego odcinka wyniesie w czaaiadt: Przyrost ogólnego kata liczników na calym odcinku ds* wyniesie ^ ds jezeli oznaczymy przez \p srednie rozlozenie jednostkowe tego ka¬ ta na odcinku, a w czasie dt caly przyrost wy¬ niesie d ^(l ds) dt ? licznikach amperogo- dzin zachodzi scisla pcoporciojwlnosó miedzy liczba amperogodzin popuszczonych przez licz¬ niki i katem ich obrotu. Dofcie&aiac oda?owied- niet kierunki pradów i wspólczynniki proporcjo¬ nalnosci, mozna napisac równanie,, które po skróceniu przez ds. dt i przyjeciu wspóiczjmni- ka pro^rcjonalnosci k. = 1 jest identyczne z pierwszym równaniem Samt-Ve«ajBta, (tzw. rów¬ naniem ciaglosci): a s a t Nalezy wiec prajtfac, ze prad i w modelu jest pa»|o*cjtoiiaIily do przeplywu a w rzece o kat obrotu y? Bezn&fea Jest proporcjonalny do prze¬ kroju czynnego ^ w rzece. W modelu elektrycz- nym jost odtwóirzone równiez drugie równanie (tzw. dynamiczne), lecz podane w postaci cal¬ kowej* a ntfanowieie q = f (co). Postac mate- njatyc25J» togo r6wna»ia nie jest znana, lecz mozna je» latwo otrzymac w postaci tabelarycznej fafe graliGznej z pomiarów stanu i przeplywu wo¬ dy w ró&jjfek przefeedach rzekt tzn. z krzywych kwsi^B^c^j»ych z = ti&k opracowanych na podstawi* wiftloJtetnich obserwacji % uwzgiednie- niam przAkroi^ & = f mojoi s$ec8a£sLc oborniki, zmienne których pjasewodnos^ byiaby proporcjonalna do przekro¬ ju, ez^n&ego, ai rzeki tak, aby przy sta^m na- PÓ3W prad plynacy pjrzez cewke; licznika byl pa^pwcionalny d# przepfcrwa q. Oporniki takie stmw&komo tetwo- mozna wykonac przez nawi¬ niecie drutu na plytce, uksztaltowanej odpo- wM« de krzywej konsumpcyjnej. Ponadto na¬ lezy doteae. doswiadczalnie odpowiednie momen¬ ty bwMladnflóei ruchomych cze&ei liczników.Model elektryczny wedlug wynalazku sklada sie z wielu czlonów czwórnikowych (fig. 1), z których kazdy odpowiada pewnemu przyjetemu odcinkowi rzeki,, np. 10 km. Kazdy czlon zawie¬ ra mechanizm licznikowy, rejestrujacy ampero- godziny. Konstrukcja liczników nie musi byc przy tym przystosowana do pradu stalego, gdyz liczniki moga byc typu indukcyjnego na prad zmienny i przy stalym napieciu oraz stalym wspólczynniku mocy moga rejestrowac pewne umowne „amperogodzlny skuteczne". Uklad na¬ pedowy licznika sklada sie z cewek napiecio¬ wych, zasilanych ze wspólnego zródla pradu i z cewek pradowych, zasilanych z innego zró¬ dlo. Napiecia obu zródel sa stabilizowane i prze- ssmieto wzgledem siebie o 90*. Cewki napiecio¬ we nie sa uwidocznione na schemacie. Kazdy licznik posiada dwie cewki pradowe, ustawione w ten sposób wzgledem cewek napieciowych, by lich momenty, dzialajace na tarcze, byly skie¬ rowane przeciw sobie. W ten sposób przy rów¬ nosci pradów w obu cewkach tarcze licznikowe beda nieruchome, gdy zas prady nie sa równe tarcza licznika bedzie obracac sie w jedna lub druga strone w zaleznosci od tego, który prad jest wiekszy. Na osi licznika zamiast zwyklego slimaka do liczydla jest wykonany gwint sru¬ bowy, na którym jest prowadzona nakretka sta¬ nowiaca suwak opornika. Nakretka moze byc dwudzielna w celu latwego ustawienia w do¬ wolnym miejscu gwintu. Do nakretki jest przy¬ mocowany suwak opornika., nawiniety na krzyw¬ ce, uksztaltowanej odpowiednio do krzywej kon¬ sumpcyjnej danego odcinka rzeki.Dzialanie modelu jest opisane ponizej. Gdy bieg rzeki jest ustalony to opory dynamiczne i przeplywy we wszystkich przekrojach sa rów¬ ne. W modelu elektrycznym sa równe wszyst¬ kie prady %q = ii = i2 = ... (c), a wiec musza byc równe nastawione opornosci wszystkich opornilteów. Wszystkie liczniM sa nieruchome.Chcac zbadac ruch nieustalony, nalezy zmienic za pomoca opornika na poczatku modelu prad %, co odpowiadac bedzie zjawieniu aie fali w górnym biegu rzeM. Pod wplywem róznicy pra¬ dów %$ — ii zacznie obracac sie tarcza pierwsze¬ go lacznika wskutek czego przesunie sie suwak opornika rif oo z kolei spowoduje zwiekszenie przewodnosci i zwiekszenie pradu ii. Jezeli % pozostaje bez zmiany to róznica i< — ii bedzie malec da zera i po uplywie pewnego czasu, za¬ leznego od tzw. stalej licznika, prad ii zrówna sie;z pra3dem i$, bieg licznika zas zostanie wstrzy¬ many. Oczywiscie ta samo, lecz z odpowiednim opóznieniem bedzie sie odbywac kolejno we - *wszystkich pozostalych licznikach az do ostat¬ niego i kiedy prad ostatniego licznika bedzie równy pradowi pierwszego — caly ruch ustanie.Bedzie to oznaczalo; ze w rzece ustalily sie no¬ we, wieksze przeplywy i wyzsze steny. Jezeli teraz zmniejszyc prad wejsciowy io tak, iz io to liczniki kolejno od pierwszego do ostatniego zaczna obracac sie w przeciwnych kierunkach, niz przed tym, dopóki nie nastapi ponowne usta¬ lenie sie mniejszych przeplywów i nizszych sta¬ nów w calym modelu. Jezeli opornik r0 bedzie zmieniany w sposób ciagly, np. za pomoca me¬ chanizmu zegarowego i odpowiedniej krzywki tak, by prad io byl odwzorowaniem zadanej fali powodziowej w górnym biegu przy pewnych z góry ustalonych stanach wody w calym dolnym biegu rzeki, to model odtworzy dokladnie prze¬ bieg fali powodziowej i jej stopniowa transfor¬ macje w calym dolnym biegu rzeki. W odpo¬ wiednio wybranym czlonie modelu mozna wla¬ czyc przyrzady pomiarowe i ewentualnie reje¬ strujace, które podadza i wykresla dla danej miejscowosci wszystkie wielkosci charakterysty¬ czne fali powodziowej, jak steny wody, przeply¬ wy lub srednie szybkosci wody.W pewnych czlonach mozna zastapic oporniki, charakteryzujace odcinek naturalnego koryta rze¬ ki, opornikami, odtwarzajacymi zbiorniki, zbu¬ dowane w danych miejscowosciach, przy czym polaczenia elektryczne z nastepnymi czlonami dolnego biegu bylyby dokonane samoczynniedo¬ piero po osiagnieciu przez opornik pewnej war¬ tosci opornosci, co odpowiadaloby dzialaniu prze¬ lewów. Mozna równiez przewidziec oporniki, wlaczane recznie, co odpowiadaloby otwieraniu zasuw jazu. Model moze wiec odtworzyc rów¬ niez przebieg fali powodziowej z uwzglednie¬ niem wplywu retencji zbiorników.Niektóre czlony posiadaja liczniki z dodatko¬ wa cewka pradowa. Do cewek dodatkowych przylacza sie modele, odtwarzajace doplywy rze¬ ki glównej.Na fig. 2 przedstawiono przyklad modelu Wi¬ sly wraz z glównymi doplywami Czlony za- kreskowane odpowiadaja projektowanym zbior¬ nikom na rzece glównej i doplywach. Model ten pozwala na przestudiowanie nieustalonego ru¬ chu wody przy wszelkich zalozeniach przeply¬ wów od zródel az do ujscia. Jezeli np. sten po¬ wodziowy wystapi w górnej Wisle i na Sanie, w Pilicy natomiast bedzie stan niski), to model wykaze równiez stopniowe; podnoszenie sie sta¬ nu wody w Pilicy, tj. cofke na doplywie, gdyz w uzwojeniu, sprzegajacym model delem Wisly, poplynie wiekszy prad niz w licz¬ nikach Pilicy, wskutek czego liczniki Pilicy za¬ czna biec w przeciwna strone.Udzial drobnych doplywów, parowania wo¬ dy, nasiakliwosci gruntu i odprowadzen na me¬ lioracje w ogólnym bilansie wody moze byc rów¬ niez stosunkowo latwo uwzgledniony w modelu przez wstawienie na poszczególnych czlonach niewielkich boczników tak, aby .prad wyjsciowy jednego czlona nie byl scisle równy pradowi wejsciowemu drugiego czlona.Model elektryczny wedlug wynalazku moze byc polaczony z modelem swietlnym, w którym badane zjawisko na rzece, np. fala powodziowa^ moze byc odtworzone w sposób pogladowy na ekranieu PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Model elektryczny nieustalonego ruchu cie¬ czy w otwartych lozyskach, np. w rzece, znamienny tym, ze zawiera lancuch czwór- ników, z których kazdy przedstawia pewien odcinek lozyska, tak iz parametrom i wiel¬ kosciom hydrotechnicznym odcinka lozyska odpowiadaja parametry i wielkosci elektry¬ czne czwórnika. 2. Model wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze czwórniki sa aktywne. 3. Model wedlug zastrz. 1 i 2, znamienny tym, ze czwórniki zawieraja silniki elektryczne o uzwojeniach przeciwsobnych oraz zmienne oporniki funkcyjne, napedzane przez te sil¬ niki i regulujace prad w ich uzwojeniach. 4. Model wedlug zastrz. 1 — 3, znamienny tym, ze czwórniki sa zasilane pradem stalym lub zmiennym o napieciu stabilizowanym. 5. Model wedlug zastrz. 3, znamienny tym* ze silniki maja postac liczników rejestrujacych amperogodziny rzeczywiste lub umowne, badz watogodziny, odpowiadajace w pewnej skali ilosci wody na danym odcinku rzeki 6. Model wedlug zastrz. 3, znamienny tym, ze silniki sa polaczone róznicowo w ten sposób, iz odtwarzaja równanie (rózniczkowe Saint- Venanta, okreslajace prawo ciaglosci cieczy. 7. Model wedlug zastrz. 3, znamienny tym, ze opornik funkcyjny w czwómiku posiada opornosc, zmieniana odpowiednio do zdjetej z natury lub obliczonej zaleznosci funkcyj¬ nej przeplywu wody od przekroju czynnego rzeki. 8. Model wedlug zastrz. 1 — % znamienny tym, ze czesci ruchome w czwómiku maja mo¬ ment bezwladnosci; dobrany odpowiednio do - 410. 11. 12. 13. czlonów inercyjnych w równaniu dynamicz¬ nym Saint-Venamta. Model wedlug zastrz. 1 —8, znamienny tym, ze silniki w niektórych czwórnikach posia¬ daja dodatkowe uzwojenie róznicowe, sluza¬ ce do polaczenia glównego lancucha czwór- ników, reprezentujacego rzeke glówna, z bo¬ cznymi lancuchami czwórników, reprezentu¬ jacymi doplywy. Model wedlug zastrz. 1 — 9, znamienny tym, ze stala licznikowa silników licznikowych jest dobrana odpowiednio do zadanej skali czasowej modelu. Model wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze wszystkie lub tylko niektóre czwóoiiki sa zaopatrzone w przyrzady pomiarowe i ewen¬ tualnie rejestrujace, które podaja wartosci wielkosci elektrycznych przemianowane ewentualnie od razu na wielkosci hydrotech¬ niczne. Model wedlug zastrz. 1 — 11, znamienny tym, ze obwody uzwojen silników sa zaopa¬ trzone w boczniki lub odgalezienia, przed¬ stawiajace udzial Iw bilansie wddy takich, dodatkowych czyrmików, jak drobne doply¬ wy lub ubytek wody na parowanie i me¬ lioracje. Model wedlug zastrz. 1 — 12, znamienny tym, ze niektóre czlony czwórnikówe posia¬ daja oporndki zmienne, przedstawiajace zbiorniki wodne, przy czym polaczenie elek¬ tryczne tych czlonów z czlonami nastepny¬ mi jest dokonywane samoczynnie dopiero po osiagnieciu pewnej wartosci opornosci, co odpowiada w naturze calkowitemu napelnie¬ niu zbiornika ii przelewaniu sie wody przez przelewy, lub tez recznie, co odpowiada w naturze otwieraniu zasuw jazu. 14. Model wedlug zastrz. 1 — 13, znamienny tym, ze na poczatku lancucha jest wlaczo¬ ny element regulacyjny staly lub zmienny, njx opornik o opornosci, odpowiadajacej wartosci poczatkowej przeplywu w górnym biegu rzeki lub doplywu, przy czym opornik ten moze byc nastawiany recznie lub samo¬ czynnie odpowiednio do zadanego hydrogra- fu dobowego, dekadowego lub rocznego. 15. Model wedlug zastrz. 1 — 14, znamienny tym, ze poszczególne czlony lancucha czwór¬ ników sa polaczone elektrycznie z modelem swietlnym, który odtwarza w sposób pogla¬ dowy przebieg fali wzdluz rzeki. 16. Model wedlug zastrz. 1 — 15, znamjeimy tym, ze posiada regulacje napiecia cewek pradowych i napieciowych, sluzaca do zmia¬ ny skali czasu. Inz. mgr Henryk Dziatlik Fic.1Oo cpisu patejritpwego nr 38868 Pilic)a \ \ ni Min W i s i a n n r\'M niiHiiin m i i i i i i 1.M1 1 1 1 11-l San I l I I IN iiNiiiN ir^ iV a r e w 1 1 n 1 1 1 1 1 vs Fig.

2. Druk. L.SW. W-wa. Zarn. 985d z dnia 21.XI.55 r. Pap. sat. ki. III 7C g. BI — 150. B-6-871D3 PL