Введение к работе
В работе приведено решение проблемы расчета пропускной способности русел рек и каналов произвольных форм поперечных сечений с использованием гипотезы о связи градиента скорости с вектором полных турбулентных напряжений.
Актуальность проблемы в том, что она направлена на обоснование методов борьбы с наводнениями посредством совершенствования существующих и разработкой новых методов расчетов пропускной способности русел рек,потребность в которых возрастает в связи со строительством защитных сооружений, с рациональным использованием и охраной водных ресурсов.
Состояние изученности проблемы. Различные аспекты пропускной способности русел рек и каналов рассмотрены в трудах К.В. Гришанина, Г.В. Железнякова, Н.Б. Барышникова, И.Ф. Карасева, Н.Н. Павловского, В.Н. Гончарова, М.Ф. Срибного, В.Т. Чоу, Дж. Бредли, Д.Е. Скородумова, А.П. Зегжды, Дж. Лимериноса, В. Графа, Г. Гриффитса, Р.А. Шестаковой, Н.С. Знаменской, А.А. Маастика и др.
Анализ этих работ показал, что, несмотря на достигнутые успехи, решение проблемы пропускной способности русел рек и каналов еще далеко от завершения, о чем свидетельствует отсутствие объективных методик, позволяющих надежно вычислять эту величину. Одной из причин такого состояния научных знаний является недостаточная изученность турбулентного движения и его влияния на значения осредненной скорости течения — основной характеристики пропускной способности.
Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей турбулентного движения описаны в трудах Л. Прандтля, Т. Кармана, Ю. Никурадзе, Л.Д. Ландау, Л.Г. Лойцанского, М.А. Великанова, И.И. Леви, В.Н. Гончарова, И.К.Никитина, А.С. Монина и А.М. Яглома, М.Д. Миллионщикова, С.С. Кутателадзе, Д.И. Гринвальда, Г.В.Железнякова, А.В. Караушева, В.М. Лятхера, Е.М. Минского, Б.А. Фидмана,Дж.Б. Шубауэра, X. Шихтинга, Д.Т.А. Таунсенда, И.О. Хинце, А.Дж. Рейнольдса, Б.Жд.Кантауэлла, Ю.Х. Рогта, П. Бредшоу, В.Т. Чоу, Д.В. Сполдинга, Дж.А. Ламли, Б.Е. Лаундера и других.
Анализ результатов исследований, изложенных в этих публикациях позволяет сделать вывод о необходимости продолжения изучения турбулентного движения, что является основанием постановки задач, сформулированных в данной работе.
Попытки установить универсальные зависимости между полями осредненных скоростей и пульсационных характеристик,
предпринятые исследователями в различное время не принесли положительного результата — каждая новая зависимость описывала связь меіру физическими переменными в уравнениях Рейнольдса только для конкретных течений.
Поэтому необходимо продолжать поиски таких связей с учетом новых лабораторных и натурных данных.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка методики расчетов пропускной способности речных русел на основе гипотезы о связи осредненных скоростей с векторным полем полных турбулентных напряжений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Установить закономерности в изменении вектора полных турбулентных напряжений и его проекций на координатные оси.
-
Найти и обосновать зависимость вектора полных турбулентных напряжений от характеристик пульсационного и осредненного движения.
-
С помощью гипотезы о связи вектора полных турбулентных напряжений и вектора градиента скорости в первом приближении решить систему уравнений Рейнольдса для случая одномерного движения в широких каналах.
-
Определить составляющие баланса энергии осредненного движения с целью выявления механизма перераспределения этой энергии в вязком и буферном слоях.
-
Выявить зависимость средней скорости течения в квадратичном режиме сопротивления от формы и размеров поперечного сечения русел рек и каналов.
6. Установить связь параметров, характеризующих
пространственные эффекты, с пропускной способностью русел рек
и каналов различных форм поперечных сечений.
7. На основе полученных зависимостей разработать методику расчетов
расходов донных наносов при их движении в виде песчаных гряд.
Методика исследований. В качестве основной методики были использованы экспериментальные и теоретические исследования потоков в различных режимах движения, в том числе в пространственном и донногрядовом режимах сопротивления. Поиск зависимостей предопре делил постановку частных задач и выработку принципов их решения, а также анализ и обобщение данных исследований в области речной гидрологии и гидравлики. Храктеристики искусственных потоков измеряли в гидравлических лотках, где подстилающая поверхность имела различные по высоте и форме выступы шероховатости. Средние и пульсационные характеристики течения регистрировали методом двухкомпонентного термогидрометра, работающего в режиме постоянного сопротивления
и позволяющего фиксировать мгновенные значения продольной и вертикальной (поперечной) составляющих скоростей. В работе использовали непрерывную регистрацию сигнала термогидро метра. Непрерывные записи пульсаций скорости превращались с помощью приставки к дифропечатаюшему вольтметру В 7-16А в дискретные ряды, которые обрабатывались по программам статистической и спек тральной обработки на ЭВМ. Анализ экспериментальных данных позволил выявить соотношения между кинематическими характеристиками, которые в дальнейшем применялись при выводе искомых зависимостей. Последние использовались для расчетов характеристик течений в руслах рек: Волга (г.Горький, Казань), Сура (г.Шумерля), Ока (г.Муром), Вузан, Кривая и Прямая Болда (г.Астрахань), Клязьма(г.Ковров) и в Мало-Кабардинском канале (п.Головное). ХГрактеристики русловых потоков измерялись гидрометрическими приборами в соответствии с требованиями, изложенными в методических указаниях и на ставленнях гидрологическим постам.
Исследования велись по плану научно-исследовательских работ ПНИИИС Минстроя России, а также по проблемам, включенным в план ГКНТ (номера 03.01.Н6 и 03.02.Н2).
Предмет зашиты. Гипотеза о связи вектора полных турбулентных напряжений с вектором градиента скорости, на основании которой установлены зависимости для расчета характеристик пропускной способ ности русел рек и каналов произвольной формы поперечного сечения.
Практическая значимость результатов и их реализация. Результаты диссертационной работы предлагаются для использования в решении научных и практических задач. Зависимости для расчетов средних скоростей русловых потоков рекомендуются при проектировании сооружений, защищающих города и поселки от наводнений, а также оросительных и дренажных систем и магистральных каналов. Они так же могут быть использованы для разработки методик расчетов русловых деформаций и расходов донных и взвешенных наносов.
Методы определения средней скорости русловых течений и рас хода донных наносов, в основе которых заложены предлагаемые урав нения, были внедрены в практику производства работ Строительного управления подводнотранспортных работ (г.Астрахань) и института "Ленгипрогор".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 статьи.
Апробация работы. Отдельные разделы докладывались и обсуждались на:
Международном симпозиуме по водной эрозии (Варна, 1988 г.);
ХІУ-ой Конференции придунайских стран по гидрологическим прогнозам (Киев, 1983 г.);
Ш-ем Международном гидрологическом симпозиуме (Пекин, 1990 г.);
Международной научной конференции "Геофизика и современный мир"(Москва, МГУ, 1993г.);
Всесоюзных конференциях по исследованию русловых процессов для практики народного хозяйства (Москва, МГУ, 1981 и 1983 гг.);
Всесоюзных конференциях по проблемам малых рек (Киев, 198Н982 гг.);
Всесоюзном семинаре по речной гидравлике (Москва, 1982 г.);
Всесоюзной конференции по размыву морского шельфа и гидротехнических сооружений (Москва, 1984 г.);
Пятом Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, ГГИ, 1986г.).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и перечня литературы. Она содержит 299 стр. машинописного текста в том числе 47 рисунков и 35 таблиц. Список литературы содержит 251 наименование.