Введение к работе
з
Актуальность темы. Работа посвящена исследованию циркуляционных течений в трубах и поверхностных воронках. Под циркуляционным понимается течение, характеризуемое циркуляцией (Т = 2ттги) тангенциальной составляющей скорости среды (и ) по концентрическому замкнутому контуру (2 яг ). Рассматриваются ламинарное течение реальной жидкости, обладающей молекулярной вязкостью (ju ), и турбулентное течение эффективно вязкой жидкости, где виртуальная (турбулентная) вязкость (jut) является свойством потока.
Циркуляционные течения газа и жидкости широко распространены в природе - это смерчи, тайфуны, циклоны, воронки на поверхности жидкостей при их сливе через глубинные отверстия, вихри за обтекаемыми объектами, в том числе за крыльями летательных аппаратов. Не менее широко эти течения используются в современной технике в устройствах для распыливания жидкого топлива, перемешивания и диспергирования жидкостей, формирования аэрозолей, классификации дисперсных материалов, аэрации и деаэрации, охлаждения и нагревания, ректификации рабочих жидкостей, пылезолоулавливания, разделения суспензий, гашения механической энергии потока и достижения многих других технологических целей. Распространенность и многообразие циркуляционных течений определяют актуальность тематик, связанных с их исследованиями.
Исследованию циркуляционных течений посвящены работы многих выдающихся ученых - И. Громеки, Г.Н. Абрамовича, М.А. Гольдштика, А.А. Хала-това, Н.А. Einstein, А.К. Gupta, О. Kitoh и других. Применительно к гидротехнике исследованием этих течений занимались М.В. Потапов, О.Ф. Васильев, А.Д. Альтшуль, А.П. Мордасов, Б.А. Животовский, В.В. Волшаник.
Цель работы - повышение эффективности устройств и надежности сооружений, работающих в условиях пропуска циркуляционных течений, путем разработки усовершенствованных методов их гидравлического расчета.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ информации по математическому моделированию и физиче-
ским исследованиям вязких циркуляционных течений.
-
Построение математических моделей вязких циркуляционных течений в трубах и поверхностных воронках и их верификация.
-
Разработка основ методов управления турбулентностью вязких циркуляционных течений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Выполнен ретроспективный аналитический обзор прикладной механики циркуляционных течений, на базе которого сформулированы их основные особенности, показана эволюция моделей их расчета.
-
Разработана математическая модель вязкого циркуляционно-продоль-ного течения в цилиндрической трубе за локальным завихрителем. Модель позволяет проследить динамику течения по длине трубы, описать радиально-аксиальное распределение его структурных характеристик. Модель допускает описание ламинарных и турбулентных течений с различной степенью начальной закрутки в трубах, расположенных под произвольным углом наклона к горизонту; нормирование уравнений движения по числам Рейнольдса, Эйлера и Фруда позволяет использовать полученные решения для расчета потоков в широкой полосе изменения их линейных размеров и скоростей движения.
-
Разработана математическая модель вязкого циркуляционного течения в поверхностной вихревой воронке над донным или боковым глубинным водозабором гидротехнического сооружения. Модель позволяет рассчитать ра-диально-вертикальные распределения компонент скорости, функции тока и потенциала, построить гидродинамическую сетку течения и профиль свободной поверхности воронки, определить условия ее прорыва в напорный водовод.
-
Разработаны основы метода управления турбулентностью вязких циркуляционных течений структурированием поля трансверсальных скоростей.
-
Проведена верификация разработанных моделей расчета вязких циркуляционных течений и метода моделирования их свойств на основе экспериментальных данных, в том числе полученных автором с использованием прецизионной измерительной техники - лазерных доплеровских измерителей скоро-
сти и термоанемометрической аппаратуры.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается их внутренней согласованностью, соответствием установленным теоретическим и экспериментальным фактам, использованием апробированных теоретических положений, методов решения систем дифференциальных уравнений параболического и эллиптического типа, прецизионных средств измерений и обработки эмпирической информации, исключающих человеческий фактор, современных методик проведения гидравлических исследований.
Практическая значимость и ценность работы заключается в разработке и верификации универсальных методов расчета гидродинамики циркуляционных течений, необходимых для создания высокоэффективных и надежных устройств и сооружений, используемых в энергетике, авиационной и ракетно-космической технике, атомной, химической и других отраслях промышленности, где целесообразно применение закрученных потоков жидкости и газа или где циркуляционные течения являются неотъемлемой природной составляющей.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований вихревых и контрвихревых гидротехнических водосбросных сооружений использованы:
институтом «Гидропроект» (ныне филиал «Инженерного центра ЕЭС») и его отделениями в Ленинграде («Ленгидропроект») и Ташкенте («Средаз-гидропроект»), НИСом института «Гидропроект» (ныне ОАО НИИЭС), ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева при проектировании водосбросов Рогунского, Колымского, Тельмамского гидроузлов, Сарезской гидроэлектростанции, ГЭС Тери в Индии (вихревой водосброс сдан в эксплуатацию в 2005 г.);
при разработке методик гидравлического расчета вихревых водосбросов в справочном пособии «Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений», М., Энергоатомиздат, 1988;
в учебном пособии для вузов «Гидравлический расчет гидротехнических сооружений с закруткой потока», М., МИСИ, 1992.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, конструк-
6 торских разработок и проектов контрвихревых аэраторов использованы:
институтами ВНИИбиотехника, ВНИИсинтезбелок, ИркутскНИИбиотехника при совершенствовании конструкций ферментационных установок микробиологической промышленности;
Роскомводом при создании контрвихревого аэратора на донном водовыпуске плотины на р. Суме в Ленинградской области и на р. Разумная Белгородской области; при создании опытно-промышленного образца плавучей аэрационной установки для Белгородского водохранилища; при разработке проекта гидроузла-аэратора на р. Клязьме в г. Щелково; при разработке «Руководства по проектированию и конструкторской документации вихревых аэраторов на донных водовыпусках плотин», Союзгипроводхоз, М., 1992;
ПО «Сибволокно» при создании комплекса из трех плавучих аэрационных установок на пруде-накопителе биологических очистных сооружений; при создании четырех контрвихревых гомогенизаторов на колонных регенераторах серы; при разработке проекта струйно-вихревой аэрации первой ступени биологических очистных сооружений;
Чебоксарским горисполкомом при разработке проекта плавучей аэрационной установки для городской акватории Чебоксарского водохранилища;
совхозом «Пермский» при создании системы струйно-вихревой аэрации аэро-тенка биологических очистных сооружений свиноводческого комплекса; при проектировании схемы доочистки сточных вод;
Камским целлюлозно-бумажным комбинатом при создании системы аэрации камер регенерации активного ила биологических очистных сооружений;
Дирекцией Московского зоологического парка при создании системы струйно-вихревой аэрации и замкнутого водооборота Большого пруда;
НЭКМ ВНИРО при создании системы аэрации рыбоводных лотков;
ГУП «НТЦ Звезда-М» при поточном изготовлении установок водоподготовки питьевого водоснабжения.
Результаты разработки технологии подавления турбулентности в циркуляционном течении использованы ГУЛ «НТЦ Звезда-М» при создании гидро-
циклонных установок.
Результаты теоретических исследований вязких циркуляционных течений в вихревых поверхностных воронках использованы ОАО НИИЭС и филиалом «Инженерного центра ЕЭС» институтом «Гидропроект» при обосновании сооружений пускового комплекса Богучанской ГЭС.
Личное участие автора. В диссертации изложены результаты аналитических и экспериментальных исследований, выполненных автором на кафедре использования водной энергии Московского государственного строительного университета. Постановка и решение теоретических и экспериментальных задач, вошедших в диссертационную работу, а именно: разработка и верификация математических моделей вязких циркуляционных течений в трубах за локальными завихрителями и в поверхностных воронках, а также разработка основ методов управления турбулентностью в циркуляционных течениях, осуществлялись автором. Им же выполнен аналитический обзор современного состояния прикладной механики циркуляционных течений.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель вязкого циркуляционно-продольного течения в цилиндрической трубе за локальным завихрителем и ее верификация.
-
Анализ трансформации структуры циркуляционно-продольного течения по длине цилиндрического канала.
-
Математическая модель вязкого циркуляционного течения в поверхностной вихревой воронке и ее верификация.
-
Анализ условий прорыва поверхностной вихревой воронки в напорный водовод.
-
Методы управления турбулентностью вязких циркуляционных течений структурированием поля трансверсальных скоростей.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных конгрессах, симпозиумах, конференциях и семинарах: Республиканской научно-технической конференции УИИВХ (Ровно, 1980), ХХ-м Конгрессе Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям
(Москва, 1983), Всесоюзном научно-техническом совещании «Методы исследования и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений (ГВС-84) (Ленинград, 1984), Симпозиуме Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (Сендай, Япония, 1986), Х-й научной конференции Высшей Технической Школы г. Брно (Брно, ЧССР, 1989), 3-м Всесоюзном Семинаре «Методы гидравлических исследований» (Светлогорск, 1989), Всесоюзном научно-техническом совещании (МГ-89) (Ленинград, 1989), Симпозиуме Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (Белград, Югославия, 1990), 4-м научно-техническом совещания Гидропроекта (Москва, 1982), 8-м Всесоюзном научно-техническом совещании «Физическое и математическое моделирование гидравлических процессов при исследованиях крупных гидроузлов комплексного назначения» (Дивногорск, 1989), 2-м Международном симпозиуме по газообмену через водные поверхности (Миннеаполис, штат Миннесота, США, 1990), Международной научно-практической конференции-выставки «Строительство в XXI веке. Проблемы и перспективы» (Москва, 2002), Юбилейной научно-практической конференции Ассоциации научно-технических обществ корейцев стран СНГ «АНТОК СНГ -10 лет» (Москва, 2001), Международном симпозиуме «Гидравлические и гидрологические аспекты надежности и безопасности гидротехнических сооружений» (Санкт-Петербург, 2002), Городской научно-практической конференции «Московские вузы - строительному комплексу Москвы для обеспечения устойчивого развития города» (Москва, 2003), Научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (Санкт-Петербург, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 печатных работ, в том числе две монографии, 16 работ в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 15 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, основных выводов, библиографии, включающей 492 наименования, в том числе 142 зарубежных, и приложения. Она изложена на 335 страницах машинописного текста, включая 58 рисунков и 12 таблиц, приложение содержит 210 страниц.
