Усовершенствование моделей и методов расчета турбулентных течений в недеформируемых границах Брянская Юлия Вадимовна

Введение к работе

Актуальность диссертационных исследований. Для решения инженерных задач гидротехники, водоснабжения и водоотведения, предотвращения аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях, регулирования русловых процессов, эффективного экологического мониторинга водных объектов и разработки мероприятий, исключающих кризисные экологические ситуации, требуются все более точные данные по гидравлическим характеристикам водных потоков. Для получения таких данных, отвечающих современным требованиям по надежности прогнозирования различных процессов, необходимо развитие ряда теоретических положений гидравлики и гидродинамики, уточняющих распределение скоростей в турбулентном потоке, перенос количества движения и трения, характеристики турбулентности при равномерном и неравномерном течении. Хотя указанные представления являются достаточно известными, конкретных расчетов турбулентных пульсаций скорости до настоящего времени не предложено, имеющиеся данные противоречивы и недостаточны для решения актуальных задач.

Процессы формирования турбулентных пульсаций скорости представляются более сложными, поскольку имеет место нестационарный обмен массами и количеством движения между соприкасающимися слоями потока, в результате которого в толще потока возникают турбулентные пульсации скорости. Этот процесс был положен в основу расчета логарифмического распределения скоростей Л. Прандтлем.

Известно, что основная часть энергии турбулентных пульсаций скорости связана с крупномасштабными турбулентными образованиями, размер которых соизмерим с размерами поперечного сечения. В связи с этим особое внимание в данной работе было уделено расчету крупномасштабных продольных и вертикальных пульсаций скорости.

До настоящего времени отсутствует теоретически обоснованный подход к расчету сопротивления трубопроводов в зоне перехода от гидравлически гладкого режима к квадратичному. Практическая важность разработки метода расчета сопротивления для этих режимов связана с тем, что основная часть водоводов систем водоснабжения и водоотведения работает в переходном режиме сопротивления.

Расчеты неравномерных течений в речных руслах и открытых каналах представляют значительные трудности в связи с недостаточной изученностью гидродинамических характеристик неравномерных потоков. Имеющиеся методы расчета основаны на предположении об идентичности гидравлического сопротивления равномерных и неравномерных течений, постоянстве коэффициента Кориолиса и использовании приближенного метода интегрирования, предложенного Б.А. Бахметевым. Неточные предположения и приближенные методы интегрирования могут приводить к значительным погрешностям, существенно влияющим на результаты прогнозирования затопления прирусловых территорий, что требует дальнейшего уточнения расчетных методов.

Результаты, полученные для течений в недеформируемых руслах, могут быть полезны для оценочных расчетов речных потоков при незначительных русловых деформациях.

Таким образом, диссертационная работа является актуальной, как в научном, так и в практическом плане.

Степень разработанности темы исследований. Основные закономерности турбулентного течения по распределению скоростей, гидравлическому сопротивлению, характеристикам турбулентности в трубах, каналах и пограничных слоях были установлены рядом отечественных и зарубежных ученых: Ж. Буссинеском, Л. Прандтлем, Т. Карманом, И. Никурадзе, Дж. Тейлором на основе ограниченных экспериментальных данных, полученных с использованием несовершенной техники того времени. Дальнейшее развитие теории турбулентных течений и измерительной техники позволили Г. Эйнштейну, А.Н. Колмогорову, А.С. Монину, М.Д. Миллионщикову, Л.Д. Ландау, В.Н. Гончарову, М.А. Великанову, Б.А. Фидману, В.К. Дебольскому, К.В. Гришанину, В.М. Лятхеру, Дж. Лауферу, Ж. Конт-Белло и др. получить ряд данных, дополняющих предыдущие результаты. Важные практические решения были получены М.Р. Петриченко в области тепломассопереноса, В.С. Боровковым, Ю.М. Коси-ченко, В.Л. Снежко в области гидравлики трубопроводов и каналов.

Современные представления о механизме турбулентности базируются на теории Л.Прандтля, использование которой позволило получить логарифмическое распределение скоростей в турбулентном потоке. Эта теория содержит ряд априорных предположений, не отвечающих современным данным.

Исследования структуры турбулентных течений с использованием лазерных допплеровских измерителей скорости, термоанемометров и техники водородных пузырьков выявили заметное несоответствие их с классическими распределениями скоростей, которые вошли в фундаментальные работы и учебники по гидравлике. Эти расхождения потребовали более детальных и целенаправленных экспериментов для установления факторов, влияющих на эти расхождения.

Цель диссертационных исследований. Развитие теоретических положений гидравлики, уточняющих распределение скоростей в турбулентном потоке, перенос количества движения и импульса силы трения, характеристик турбулентности при течении в недеформируемых границах для повышения точности гидравлических расчетов и достоверности гидравлического прогнозирования при проектировании объектов водохозяйственного и гидротехнического строительства и экологического мониторинга водных объектов.

Рабочая гипотеза. Повышение точности и надежности прогнозирования гидравлических характеристик турбулентных потоков может быть достигнуто уточнением фундаментальных принципов и закономерностей гидравлики на основе детальных исследований кинематики, гидравлического сопротивления, турбулентности в их взаимосвязи с использованием расчетно-аналитических, модельных и натурных исследований водных потоков, что позволит дополнить и развить систему знаний в области гидравлики.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью и рабочей гипотезой сформулированы следующие задачи диссертационных исследований:

1. Усовершенствовать методы гидравлических расчетов равномерных тур
булентных течений при гидравлически гладком и квадратичном режиме сопро
тивления, в том числе

Уточнение параметров распределения скоростей в гладких и шероховатых трубах в зависимости от коэффициента гидравлического сопротивления.

Расчет распределения скоростей в турбулентном потоке с учетом уточнения гипотез о турбулентной вязкости.

Исследования изменений параметров логарифмического профиля скорости в поперечном сечении турбулентного потока.

Исследовать особенности нестационарного течения в пристеночной области (вязком подслое) с учетом перемежаемости.

1. Уточнение модели пристеночного течения и гидравлического сопротивления шероховатой граничной поверхности в переходной зоне.

2. Уточнить модель обмена количеством движения на основе феноменологического подхода к расчету интенсивности вертикальных и продольных турбулентных пульсаций скорости.

3. Экспериментально исследовать турбулентность открытых, в том числе речных потоков при нестационарном движении.

4. Уточнить расчет неравномерного движения в каналах с учетом связи между коэффициентом Шези и коэффициентом Кориолиса.

5. Уточнить характеристики неравномерных открытых потоков на основе динамического анализа с использованием экспериментальных данных.

Область и объекты исследований. Кинематическая структура, гидравлическое сопротивление и турбулентность равномерных и неравномерных напорных и открытых потоков в недеформируемых границах.

Турбулентные течения в напорных трубопроводах и открытых каналах.

Научная новизна исследований.

1. Усовершенствованы методы гидравлических расчетов равномерных турбулентных течений при гидравлически гладком и квадратичном режиме сопротивления, в том числе: получены формулы для расчета параметров профилей скорости в гладких и шероховатых трубах; зависимости для распределения скоростей в турбулентном потоке на основе уточненных гипотез о турбулентной вязкости; формулы, учитывающие изменение параметров логарифмического профиля скорости в поперечном сечении турбулентного потока.

2. Разработана модель пристеночного течения с учетом перемежаемости, на основе которой получены формулы для профиля скорости и гидравлического сопротивления в переходной зоне.

3. Получены зависимости для расчета интенсивности вертикальных и продольных турбулентных пульсаций скорости в «ядре потока» на основе уточненной феноменологической модели переноса количества движения.

4. Произведен расчет стандартов пульсаций скорости с учетом установленного соотношения между Лагранжевым и Эйлеровым масштабами турбулентности на основе диффузионной модели.

5. Определены статистические, пространственные и частотные характеристики турбулентности речных потоков в условиях нестационарности.

6. Выполнен анализ влияния связи между коэффициентом Шези и коэффициентом Кориолиса на характеристики неравномерного движения.

7. Получены соотношения, характеризующие турбулентное трение, коэффициенты сопротивления и формы кривых свободной поверхности ускоренных и замедленных неравномерных течений на основе динамического анализа и экспериментальных данных.

Теоретическая и практическая значимость исследований

Разработаны методы расчета гидравлических характеристик турбулентных потоков в недеформируемых границах, уточняющих ряд базовых положений гидравлики по распределению скоростей и гидравлическому сопротивлению трубопроводов и открытых каналов, обеспечивающих повышение точности и надежности гидравлических расчетов при проектировании гидротехнических сооружений, водопроводящих систем и разработке мероприятий при проведении гидроэкологического мониторинга.

Получены данные по статистическим характеристикам крупномасштабной и мелкомасштабной турбулентности водных потоков в трубах, каналах и речных руслах, позволяющие повысить надежность прогнозирования распространения примесей в речных потоках.

Выявлены факторы, существенно влияющие на точность гидравлических расчетов замедленных и ускоренных неравномерных течений в открытых руслах, получены расчетные зависимости для турбулентного трения, коэффициента сопротивления в переходном режиме.

Методология и метод исследований: Повышение достоверности гидравлического прогнозирования при проектировании систем и сооружений различного назначения и выполнения экологического мониторинга на водных объектах может быть достигнуто уточнением ряда теоретических положений гидравлики по распределению скоростей в турбулентном потоке, переносу количества движения и трения, характеристикам турбулентности при равномерном и неравномерном течении. Метод исследований – расчетно-аналитический, опирающийся на апробированные гипотезы и модели турбулентных течений в напорных и открытых потоках с использованием лабораторных и натурных экспериментальных данных, полученных с использованием новейшего измерительного оборудования и компьютерной технологии обработки данных.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Усовершенствованные методы гидравлических расчетов равномерных турбулентных течений в трубах при гидравлически гладком и квадратичном режиме сопротивления с учетом уточненных распределений скоростей, согласующихся с экспериментальными данными по гидравлическому сопротивлению.

2. Формулы для распределения скоростей и гидравлического сопротивления в переходной зоне на основе предложенной модели перемежающегося пристеночного течения.

3. Зависимости для определения интенсивности вертикальных и продольных турбулентных пульсаций скорости в «ядре потока» на основе уточненной феноменологической модели переноса количества движения.

4. Формулы для стандартов пульсаций скорости на основе диффузионной модели с учетом установленного соотношения между Лагранжевым и Эйлеровым масштабами турбулентности.

5. Статистические, пространственные и частотные характеристики турбулентности речных потоков в условиях нестационарности.

6. Количественная оценка влияния связи между коэффициентом Шези и коэффициентом Кориолиса на точность расчетов неравномерного движения в открытых каналах.

7. Соотношения для турбулентного трения, коэффициентов сопротивления и форм кривых свободной поверхности для ускоренных и замедленных неравномерных течений на основе динамического анализа.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании и доказательстве расчетно-аналитических положений, разработке методических вопросов, в выполнении экспериментальных исследований, в анализе и обобщении результатов отечественных и зарубежных данных по теме диссертационной работы. Все новые результаты, приведенные в диссертации, получены лично автором.

Степень достоверности результатов.

Результаты диссертационной работы, основанные на применении расчет-но-аналитических и экспериментальных методах исследования, подтвержденные многочисленными данными отечественных и зарубежных авторов, прошли широкую апробацию, были опубликованы в 57 научных статьях, в том числе 35 в журналах рекомендованных ВАК, в 1-й монографии.

Апробация результатов.

Результаты исследований были доложены и получили положительную оценку на 13 научных конференциях: 1. Заочный научно-технический симпозиум, Москва, МГСУ, 1998; 2. Вторая научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов, докторантов, Москва, МГСУ, 1999; 3. Международный симпозиум «Гидравлические и гидрологические аспекты надежности и безопасности гидротехнических сооружений», Санкт-Петербург, 28 мая – 1 июня 2002; 4. Научно-практическая конференция – выставка «Современные приборы, оборудование и технологии, применяемые в строительстве, инженерных изысканиях, обследовании сооружений и обеспечении качества работ, Москва, 2002; 5. Международная научно-теоретическая конференция, Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2004; 6. 10-й Международный симпозиум по речным наносам (10-th ISRS), Москва, Россия, 2007; 7. VIII конференция «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей», Москва, РУДН, 23-25 ноября 2009; 8. XIII Международная межвузовская научно-практическая конференция «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва,

МГСУ, 14-21 апреля 2010; 9. Научно-техническая конференция «Совершенствование технологии строительства и ремонта трубопроводов» в рамках 9-й Российской выставки с международным участием «Трубопроводные системы. Строительство, эксплуатация, ремонт», Москва, 7-9 декабря 2010; 10. Международная научная конференция «Интеграция, партнёрство и инновации в строительстве, науке и образовании», Москва, МГСУ, 2011; 11. Всероссийская конференция «Ледовые и термические процессы на водных объектах России», Рыбинск, 24-29 июня 2013; 12. Международная научно-практическая конференция «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем». ч. III “Гидротехническое строительство», Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 2013; 13. VIII Международная научно-практической конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей», Москва, РУДН, 24-27 ноября 2014.

Публикации.

Основное содержание работы изложено в 57 статьях, в том числе 35 в рецензируемых журналах из «Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» ВАК Минобрнауки РФ, монографии, а также в 2-х зарубежных научных изданиях.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и 13 приложений, общим объемом 348 страниц машинописного текста. Объем диссертации без учета приложений составляет 298 страниц, в том числе включает 92 рисунка, 32 таблицы, список литературы из 220 наименований, в том числе 77 зарубежных.