Введение к работе
Актуальность темы. Распределение скоростей в речных потоках, отличающихся весьма сильно геометрическими размерами и формой поперечного сечения, изучено недостаточно в связи с трудностями детальных измерений в натурных условиях.
Для получения надежных и точных данных по распределению скоростей в речных потоках, отвечающих современным требованиям по надежности и точности прогнозирования внутрирусловых процессов необходимы измерения значительной продолжительности, со статистической обработкой данных, что методикой стандартных гидрологических измерениях не предусматривается.
Специальные высокоточные измерения в натурных условиях речных потоков крайне немногочисленны и имеют разрозненный характер.
В связи с этим, исследования распределения скоростей в речных потоках, отличающихся своими масштабами и гидрологическими характеристиками, являются актуальными, поскольку характер распределения скоростей влияет на ход русловых процессов, транспортирование взвесей и рассеяние примесей в речных потоках.
Турбулентность речных потоков еще менее изучена, однако именно механизм турбулентности является основным фактором, определяющим процессы размыва речного русла, распределения взвесей по глубине потока и диффузию примесей, поступающих в поток из притоков, водовыпусков и со сточными водами с водосборных площадей. Прогнозирование этих процессов при строительстве гидротехнических сооружений на водных объектах, регулировании речных русел для обеспечения судоходства, а также при экологическом мониторинге делает задачу исследования турбулентности речных потоков важной и актуальной.
Рабочая гипотеза. Повышение точности и надежности прогнозирования гидравлических характеристик русловых и диффузионных процессов может быть достигнуто на основе детальных натурных исследований распределения скоростей и турбулентности речных потоков различных масштабов и водности.
Цель работы. Уточнение закономерностей распределения скоростей и характеристик турбулентности на прямолинейных участках речных потоков различных размеров и водности для повышения точности и надежности прогнозирования гидравлических характеристик русловых и диффузионных процессов.
Задачи диссертационных исследований. На основе анализа данных натурных измерений на прямолинейных участках рек различных масштабов и водности:
- установить особенности распределения скоростей в поперечном сечении
речного потока и исследовать применимость логарифмического и степенного рас
пределения скоростей для получения универсальных зависимостей, пригодных для
прогнозирования кинематических характеристик речных потоков в различных гра
ничных условиях;
исследовать связь между параметрами логарифмического распределения скоростей с интегральными гидравлическими характеристиками потоков;
изучить факторы, определяющие показатель степени в уравнении степенного профиля скорости;
- изучить интенсивность турбулентности речных потоков во взаимосвязи с
размерами и гидрологическими характеристиками речных потоков;
- исследовать статистические характеристики турбулентных пульсаций ско
рости для определения временных и пространственных масштабов речных пото
ков;
- разработать предложения по прогнозировании процессов размыва, разбавле
ния примесей и переноса взвесей в речных потоках с учетом распределения скоро
стей и характеристик турбулентности.
Метод исследований. Экспериментально-аналитический, опирающийся на использование апробированных моделей и методов расчета и измерения турбулентных течений с использованием статистических подходов к анализу характеристик турбулентности речных потоков.
Научная новизна. Выполнен анализ условий универсального кинематического подобия потоков Колмогорова-Седова, в результате которого установлено, что условию локального кинематического подобия в равной мере отвечают распределения скоростей логарифмического и степенного вида;
Подтверждена данными натурных исследований возможность использования логарифмического распределения скоростей для речных потоков различного масштаба и водности;
Установлена связь параметров логарифмического распределения скоростей с интегральными гидравлическими и гидрологическими характеристиками речных потоков;
Выявлены факторы, влияющие на динамическую скорость, параметр Кармана и эквивалентную шероховатость речных потоков;
На основе анализа данных натурных измерений уточнена связь показателя степени с коэффициентом гидравлического сопротивления для степенного распределения скоростей в речных потоках;
Предложен метод определения локальной динамической скорости с использованием степенного распределения скоростей;
Подтверждена связь стандартов турбулентных пульсаций скорости с локальной динамической скоростью, установлен характер распределения стандартов турбулентных пульсаций скорости по глубине потока;
В безразмерной форме получены апроксимационные зависимости, удобные для практического расчета распределения стандартов продольных пульсаций по глубине речного потока;
Исследовано распределение вероятностей турбулентных пульсаций скорости в различных точках по глубине речного потока, в результате которого установлено, что в придонной зоне имеются заметные отклонения от нормального закона распределения вероятностей;
Установлено изменение асимметрии и эксцесса для турбулентных пульсаций скорости по глубине речного потока;
Установлена связь ведущей и инфронизкой частоты турбулентных пульсаций с геометрией и гидрологией речного потока;
На основе обобщения полученной базы данных по распределению скоростей и характеристик турбулентности по глубине речных потоков установлена возмож-
ность уточнения критической скорости и коэффициента турбулентной диффузии, которые могут быть использованы для прогнозирования русловых процессов и качества воды при экологическом мониторинге.
Достоверность основных результатов и выводов подтверждается применением апробированных расчетных методов и сходимостью расчетных результатов с данными экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы заключается в совершенствовании методов расчета гидравлических характеристик и распределения скоростей по глубине в речных потоках. На основе полученных данных по турбулентности и кинематике речных потоков уточнен метод определения критической размывающей скорости и рассеяния примесей при экологическом мониторинге водных объектов. Результаты работы могут быть использованы и в учебном процессе в высших учебных заведениях в разделах курса гидравлики, водоснабжения и водоотведения и при экологическом мониторинге водных объектов.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на XIII Международной Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности»; Конференции молодых ученых МГСУ и ОАО «Институт Гидропроект» 20 Юг; IX Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009; научно-технической конференции «МГСУ-У.М.Н.И.К.-2009».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8-ми научных статьях, в том числе в 3-х рецензированных изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на 121 странице, содержит 6 таблиц, 33 рисунка. Список использованной литературы содержит 96 наименований, из них 28 - на иностранных языках.
