Введение к работе
Актуальность темы. Инженерная направленность работы «Пространственно-энергетические характеристики открытых турбулентных потоков» связана с динамическим воздействием турбулентного потока на гидротехнические сооружения и русла рек (разрушение берегов, взвешивание и размыв частиц русловых грунтов) а также рассеяние примесей. Современное состояние гидравлики и гидродинамики характеризуется углубляющимся использованием аппарата математической статистики и численного моделирования. В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал, в том числе и по реализациям пульсаций скорости. Внедрение современных компьютерных технологий открывает возможность поднять расчеты статистических характеристик турбулентности на новый уровень и выявить новые важные особенности пространственно-энергетической структуры турбулентного течения в каналах.
Цель настоящего исследования определить пространственно-энергетические характеристики турбулентности открытого турбулентного потока в шероховатом канале при разных уклонах и наполнениях канала, получить оценки линейных геометрических размеров вихревых образований, проанализировать форму энергетического спектра и спектра турбулентных касательных напряжений для каждого вида вихревых структур. А также выявить вклад, каждого типа возмущений в распределение турбулентных касательных напряжений, что необходимо для совершенствования методов расчета динамического воздействия турбулентного потока на гидротехнические сооружения и речные русла, а также для уточнения методов оценки рассеяния примесей турбулентным потоком. Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Проанализированы компоненты тензора турбулентных напряжений (касательных напряжений и диагональных дисперсий) в уравнениях Рейнольдса.
-
Получены распределения по глубине потока основных статистических характеристик турбулентности для продольной и вертикальной пульсации скорости (интенсивности турбулентности, коэффициента асимметрии, эксцесса), а также корреляционных кривых, энергетических спектров пульсаций скорости и турбулентных касательных напряжений при разных уклонах и наполнениях канала.
-
Определены линейные геометрические размеры когерентных структур в открытом турбулентном потоке. Предложена пространственная модель вихревых структур в потоке, дополненная нестационарными вторичными течениями, создающие длиннопериодические вихревые образования.
-
Утонены методика расчета турбулентной диффузии примесей, средней допускаемой неразмывающей скорости потока в каналах и динамических нагрузок на элементы гидротехнических сооружений.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ 1
БИБЛИОТЕКА і
Достоверность результатов и выводов подтверждается применением апробированных расчетно-аналитических методов, взаимной согласованностью и непротиворечивостью полученных зависимостей, тщательной проверкой полученных расчетных результатов представительными данными экспериментальных исследований разных авторов, в том числе и данными собственных измерений, выполненных с достаточной точностью. Научная новизна. В рамках расширения базы данных о пространственно-энергетических характеристиках турбулентности открытых потоков в целях повышения точности расчета динамического воздействия турбулентного потока на гидротехнические сооружения, речные русла и прогнозировании процессов распространения примесей в речных потоках:
получено распределение интенсивности, турбулентных касательных напряжений, статистических характеристик турбулентности в водных потоках по глубине, разработана методика исследования и расчета корреляционных кривых и энергетических спектров с учетом ддиннопериодических компонент пульсаций скорости, связанных с неустойчивостью вторичных течений т.е. составляющих пульсаций, обладающих значительным периодом по сравнению с пульсациями, формирующими основные энергонссущис вихри в потоке.
разработан алгоритм оценки линейных геометрических образований в турбулентном открытом потоке. На основе анализа экспериментальных данных получены зависимости, оценивающие соотношение продольных и вертикальных размеров турбулентных вихревых образований.
получено распределение энергии турбулентных касательных напряжений и пульсаций скорости по глубине потока, отражающие влияние длиннопериодических возмущений.
разработаны предложения по совершенствованию методов расчета диффузии примесей и динамического воздействия потока на жесткие и размываемые границы, основанные на полученной базе экспериментальных данных.
На защиту выносятся;
методика исследования и особенности расчета пространственно-энергетических характеристик путем классификации корреляционных кривых пульсаций скорости, проведенной по масштабам турбулентных возмущений, а также по наличию в потоке вторичных течений;
результаты анализа форм корреляционных кривых пульсаций скорости и аналитические выражения для аппроксимации корреляционных функций различных типов;
результаты анализа энергетических спектров различных типов в зависимости от наличия в потоке длиннопериодических компонент;
уточненная схема кинематической структуры неустойчивых вторичных течений в открытом прямоугольном турбулентном потоке в виде суперпозиции траекторий частиц совершающих длиннопериодические
движения и траекторий частиц, участвующих в образовании вихрей,
обусловленных геометрией канала; предложение по уточнению расчета средней допускаемой
неразмывающей скорости потока в каналах на основе полученной базы
данных по статистическим характеристикам неустойчивых вторичных
течений. Практическая значимость. Использование полученных статистических характеристик турбулентности открытых потоков, являющихся мерой интенсивности пульсаций скорости, мерой интенсивности энергетических затрат, позволяют уточнить расчеты подъема, переноса и оседании частиц грунта в русловых потоках, процесса размыва донных грунтов и переноса потоком различных примесей.
Установленные линейные размеры и структура вихревых образований в турбулентных потоках позволяют уточнить инженерные расчеты при проектировании каналов, динамического воздействия на элементы поверхностных и береговых водосбросов, повысить эффективность работы регуляционных сооружений при решении задач выправления речных русел. Энергетические характеристики турбулентных потоков повышают точность расчета динамического воздействия потока на облицовки каналов, быстротоков, безнапорных водопроводящих туннелей и т.д. Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на четвертой, пятой, седьмой, восьмой научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, докторантов МГСУ (2001,2002, 2004, 2005гг.). Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 работ. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах, содержит 7 таблиц, 45 рисунков. Список использованной литературы содержит 130 наименований, из них 17 на иностранных языках.
