Введение к работе
Актуальность исследований. Исследование кинематики подледных потоков - одна из ключевых задач гидравлики, инженерной гидрологии, проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений, объектов мелиоративного назначения. По существу исследование скоростной структуры потоков является объективной необходимостью.
Ввиду чрезвычайной сложности механизма турбулентности затруднено и описание турбулентных характеристик потоков: для оценки параметров турбулентности используются дифференциальные уравнения Рейнольдса, а их система является незамкнутой. И поэтому при решении конкретных задач более эффективным оказывается построение моделей по ос-редненным характеристикам. То есть для практики целесообразно применение методов математического моделирования осредненных местных скоростей.
Изучение распределения продольных осредненных в точках местных скоростей на вертикали подразумевает ответы на ряд важных вопросов, что и объясняет масштаб и уровень таких исследований. В свою очередь, знание кинематических характеристик потоков позволяет решать задачи русловых процессов (размыв, заиление, деформации льда), задачи, связанные с определением пропускной способности русла (гидравличесхих сопротивлений), а также вычисление параметров наносного режима, сгонно-нагонных. явлений, поперечных течений, термического режима. Исследования скоростной структуры подледных потоков теснейшим образом связаны с разработкой теории расчета пропускной способности, которая также является важной научной задачей, поскольку надежный прогноз расходов в зимний период имеет для проектирования и эксплуатации П'С чрезвычайное значение.
Таким образом, исследования кинематической структуры потоков под ледяным покровом являются актуальной задачей.
Цель диссертационной работы - исследовать структуру подледных потоков, получить новую, более совершенную модель течения между двумя стенками и на ее основе разработать более точный метод расчета пропускной способности русел водотоков в зимний период.
Задачи исследования, позволяющие достичь намеченной цели, следующие:
О установить факторы, определяющие кинематику подледного потока, и дать их классификацию;
О провести анализ современного уровня знаний по кинематической структуре подледных течений;
И рассмотреть состояние изученности вопросов, связанных с расчетами пропускной способности русел под ледяным покровом;
в адаптировать современные подходы, связанные с решением задач для открытых потоков, к частной задаче потоков в зимних условиях под ледяным покровом;
О на основе известных методов математического моделирования как открытых, так и закрытых течений разработать новую схему расчета скоростной структуры для подледных потоков;
В разработать рекомендации по расчетам пропускной способности русел каналов и рек в зимний период.
Теоретическая и методологическая основа исследований. В основу теоретических исследований были положены концепции и методы теории турбулентности, кинематики, гидродинамики, использованы методы математической статистики, элементы численных методов.
Основой диссертации явились результаты исследований многих авторов:
П.Н.Белоконя, К.В.Гришанина, В.К.Дебольского, Г.В.Железнякова, Х.М.Исмаила,
Г.К.Лоттера, Я.И.Марусенко, В.М.Мыржыкбаева, Р.А.Нежиховского, И.К.Никитина,
Н.Н.Павловского, Ф.Ф.Раззоренова, К.И.Россинского, У.С.Рось, Л.А.Сабанеева,
В.И.Синотина, Г.П Скребкова, А.Д.Смедяковой, Ф.А.Спецова, С.А.Фиддышева,
Б.А.Фидмана, М.Хассана, Д.В.Штеренлихта. С темой диссертационной работы связаны ис
следования: С.Х.Абальянца, А.Б.Адесмана, О.М.Айвазяна, В.С.Алтунина, А.Д.Альтшуля,
Г.И.Баренблатта, В.С.Боровкова, В.Ванони, М.А.Великакова, В.И.Виноградовой,
З.А.Генкина, В.Н.Гончарова, Д.П.Гринвальда, В.И.Ефремова, А.П.Зегжды, Ю А.Ибад-заде,
ВА.Иоселевича, А.Т.Иппена, А.Д.Караушева, Т.Кармана, Дж.Х.Келегана, А.Б.Клавена,
С.И.Коллупайло, А.Ф.Кудряшова, А.Ю.Кузьминова, Л.Д.Ландау, П.Ларсепа, И.И.Леви,
Е.М.Лифшица, П.Г.Лойцянского, Е.Марки, А.Г.Марченко, Е.И.Масса,
М.Д.Миллионщикова, Ц.Е.Мирцхулавы, Н.А.Михайловой, М.А.Мосткова, А.М.Мухамедова, И.К.Никитина, И.Никурадзе, С.А.Образовского, Н.Пилепенко, Л.Прандтля, А.Дж.Рейнольдса, Л.И.Седова, В.Ф.Талмазы, Дж.Тейлора, Ф.Р.Хама, П.О.Хинце, Н.В.Чена, Х.А.Эйнштейна.
Научная новизна работы заключается в том, что:
И предложена классификация факторов, определяющих шероховатость и кинематику подледных течений;
В предложена новая физическая модель (схема) подледного потока, в которой развиваются известные схемы;
В установлены закономерности распределения осредненных продольных скоростей в различных слоях течения возле стенки;
О исходя из предложенной физической модели, разработана математическая модель, дано ее обоснование, рассмотрены различные варианты расчетов в зависимости от режима сопротивления,
И на основе комбинированной кинематической модели разработана методика расчета пропускной способности;
П на алгоритмическом языке написаны программы по выполнению инженерных расчетов кинематической структуры и пропускной способности русел под ледяным покровом, а так же разработаны к программам инструкции;
П даны рекомендации для расчетов поля скоростей по предложенной кинематической модели;
Q даны рекомендации по инженерным расчетам пропускной способности русел каналов и рек в зимний период под ледяным покровом.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Предложена новая модель подледного течения, на основе которой разработаны практические рекомендации для инженерных расчетов пропускной способности русел рек и каналов в зимнее время года, по опытно-производственным данным эксплуатации каналов проведена систематизация мер по предотвращению и борьбе с ледовыми затруднениями. Результаты реализованы в инженерных расчетах по предложенным методикам, в частности, рассчитаны местные осреднен-ные скорости для крупных рек: Северная Двина, Ангара, Сухона, малой реки - Малая Истра, каналов: Иртыш-Караганда, Северный Донец-Донбасс. Результаты исследований в дальнейшем могут быть использованы при проектировании и эксплуатации объектов водохозяйственного и мелиоративного назначения.
На защиту выносятся:
-
Методика определения структуры подледного потока.
-
Математическая модель скоростной структуры потоков под ледяным покровом.
-
Экспериментально-теоретическое обоснование возможности применения комбинированной кинематической модели подледных потоков для выполнения расчетов пропускной способности русел рек и каналов в зимний период.
Обоснованность и достоверность полученных результатов. Сопоставление результатов численного эксперимента с фактически установленными параметрами (по итогам многолетних наблюдений на натурных объектах) показывает, что вне зависимости от характера сопротивления и режима течения полученная комбинированная кинематическая модель позволяет получить результат, удовлетворяющий требованиям инженерных расчетов.
Публикации по теме диссертация. Основные положения диссертационной работы изложены в трех статьях.
Апробации работы заключается в докладах и обсуждениях на заседаниях научно-технического совета ПО "Совинтервод" (1995-1996 гг.), объединенной секции научно-технического совета "Гидротехническое и мелиоративное строительство", "Гидравлика и инженерная гидрология", "Сельскохозяйственная мелиорация" Государственного предприятия специализированного научного центра "Госэкомелиовод" (1996-1997 гг.).
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы в 159 наименований. Диссертационная работа изложена на 236 страницах машинописного текста, иллюстрирована 64 рисунками, содержит 15 таблиц.