Введение к работе
Актуальность проблемы. Турбулентность речных потоков по существу влияет на іктер и интенсивность всех процессов, совершающихся в руслах рек, поэтому качество и -юта оценки этих процессоэ з значительной степени зависят от уровня изученности 'ктуры и механизма речной турбулентности
Разносторонняя и интенсивная инженерно-хозяйственная деятельность на реках дается в знании не только осредненных, но и действительных (актуальных) характеристик -юго потока. Сведения же об этих характеристиках (в частности, о попе актуальных зостей) крайне ограничены, а имеющиеся - представлены преимущественно данными ько о продольной компоненте скорости
Заметное и вполне понятное стремление современных исследователей к разработке ематическнх моделей речного потока и определяемых им процессов, должно все же в своей ове опираться на ясные физические представления о структуре и механизме и самого ока, и совершающихся под его воздействием процессов. Вместе с тем, четкой и определенной физической основы о явлении турбулентности еще создано. Не случайно Б.Дж.Кантуэлл заканчивает обширную обзорную статью іганизованньїе движения в турбулентных потоках" (1984) словами: "Турбулентность ио-жнему остается главной неизученной проблемой классической физики". Это замечание в ной мере может быть отнесено и к турбулентности речных потоков, особенно в части ее езиса, структуры и механизма.
В связи с этим проблема, над которой автор работал в течение 35 лет и которая тавляет стержень диссертационной работы, представляется вполне актуальной как прежде, и на современном этапе.
Гидравлическое моделирование считается самым совершенным инструментом в арсенале ораторных приемов исследования гидрологических процессов. Наиболее сложно зелировать речные потоки на деформируемых моделях, опыт выполнения которых и весьма ден, и наиболее противоречив. Это связано, может быть, с недостаточно ясными іическими основаниями, на которые опираются известные методики Вместе с тем нормируемая модель речного потока оказывается более широкофункциональным ггрументом, чем жесткая модель, поскольку в этом случае моделируется не только поток, но іеформация его русла, то есть русловой процесс. И именно в таком варианте современная женерно-хозяйственная практика предпочитает видеть технологию научного обоснования >их многочисленных проблем.
В связи с этим вопросы обоснования метода моделирования речных потоков на рормируемых моделях также представляются актуальным предметом исследования.
Цели и задачи работы. В работе ставились две основные цели. Первая заключалась в к, чтобы на основе достаточно полного лабораторного и натурного экспериментального териала, а также с учетом уже имеющихся результатов других исследователей раскрыть ковные черты структуры и механизма речной турбулентности и выразить ее свойства через релненные гидравлические характеристики, доступные инженерной практике. Вторая цель стояла в разработке физически обоснованного (учитывающего свойства речного потока и раничивающей его пористой зернистой среды) методического подхода к моделированию чных потоков на деформируемых моделях, то есть, по существу, подхода к моделированию и иного потока и руслового процесса.
В связи с поставленными целями определились следующие задачи исследования:
разработка методик и технических средств исследования и измерения структуры еловых потоков в лабораторных и в натурных условиях,
построение схемы кинематической структуры руслового потока и установление связи руктурных элементов этой схемы и свойственных им актуальных скоростей с осредненными рактеристиками потока;
исследование механизма взаимодействия руслового и подруслового потоков выяснение роли этого механизма в транспортировании речных накосов и генезисе русло) форм;
разработка исходных требований к моделированию речных потоков деформируемых моделях;
установление условий, достаточных для получения подобия руслового поток русловых форм в натуре и на модели.
Предмет исследований и личный вклад автора в решение проблемы. Предме" исследований автора была структура турбулентности руслового потока в лабораторных лот и в реках, процесс взаимодействия руслового и подруслового потоков, процесс формироваї внутрируслового донного рельефа на моделях разного масштаба.
С учетом уже имевшегося опыта автором были предложены методические прие исследования структуры турбулентности в лабораторных и натурных условиях, разработг конструкции гидравлических лотков и другого оборудования для лаборап^ экспериментов. Разработан и изготовлен измерительный комплекс для регистрации пі актуальных скоростей в гидравлических лотках. Предложен принцип измерения векті актуальной скорости в натурных и в лабораторных условиях. Предложены принцип действи конструкция оборудования для отбора проб донных отложений в реках.
Автор разработал программы лабораторных экспериментов, руководил этими работам сам принимал в них участие.
Программа серии экспериментов в лотк? с сильно шероховатым дном разработана и са эксперименты выполнены автором совместно с ЗДКопалиани.
Автор подготовил программы, руководил работами и принимал непосредствен) участие в исследованиях турбулентности на р.р.Гороховке, Поломети, Вычегде, Турунчу Измерения на канале Шават были выполнены по программе, разработанной совместж автором и по его методике Г.Г.Месерлянсом.
Схема структуры русловой турбулентности, соотношения для расчета пространственн и кинематических характеристик турбулентности, критериальные соотношен характеризующие особенности взаимодействия руслового и подруслового потоков и услої устойчивости частиц, слагающих русло, дополнительные условия для обеспечения подо( потока'и руслового процесса на деформируемых моделях разработаны автором. .
Предметом зашиты являются разработанные автором:
схема структуры речной турбулентности;
расчетные зависимости для оценки пространственных и кинематических характерне] речной турбулентности;
критериальные соотношения, характеризующие особенности взаимодейсп руслового и подруслового потоков и условия устойчивости донных наносов;
физические предпосылки методики моделирования (в том числе дополнительн условия подобия) речных потоков и руслового процесса на деформируемых гидравлическ моделях;
методические приемы регистрации структурных элементов русловой турбулентності лабораторных условиях и принципы измерения актуальных скоростей контактным методоь натурных и лабораторных условиях;
приборы и оборудование для измерения характеристик потока и наносов лабораторных и натурных условиях.
Новичка научных результатов ілключается:
- в получении массового экспериментального материала, содержаще
непосредственную информацию о структуре крупномасштабной русловой турбулентности
продольно-вертикальной плоскости потока; в получении зависимостей.для оценки размер<
формы и периодов крупномасштабных структурных элементов; в разработке двухмерной cxe^
аулентности в продольно-вертикальной плоскости потока; в разработке методики и нического оборудования для выполнения скользящей киносъемки визуализированного гния, применение которых позволило получить перечисленные выше экспериментальные ериалы в лабораторных лотках;
_-_.. в получении натурных данных о величинах и характере распределения по глубине всех к компонент актуальной скорости; в" получений расчетных"зависимостей для- оценки актерных значений всех компонент актуальной скорости, в разработке методики и ннчесхих средств для измерения актуального вектора скорости в натурных условиях, іменение которых позволило получить информацию о всех трех компонентах актуальной рости;
в получении сведений о взаимодействии руслового и подруслового потоков и ановлении критериальных соотношений, определяющих условия существования трех актерных типов взаимодействия руслового и подруслового потоков;
в построении дополнительных условий подобия механизма взаимодействия руслового одруслового потоков.
Практическая інячнмость и реализация результатов исследоплшгй:
Полученные результаты углубляют представления о структуре и механизме речной булентности, о взаимодействии руслового и подруслового потоков, о механизме движения ловых наносов и генезисе микроформ руслового рельефа, и поэтому могут быть юльзованы в развитии и совершенствовании теории русловой турбулентности и теории :лового процесса.
Зависимости для оценки характерных значений актуальной скорости в сочетании с исимостями для оценки пространственных и временных характеристик структуры (булентности могут быть использованы и используются для расчетов разбавления сточных I и оценок состояния и форм движения русловых и взвешенных наносов. Результаты :ледований вошли в соответствующие разделы "Рекомендаций по размещению и эектированию рассеивающих выпусков сточных вод" (Стройиздат, 198 і) и в нормативное :обие "Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов", !Н 163-83 (Гидрометеоиздат, 1985).
Результаты исследований взаимодействия руслового и подруслового потоков совместно сведениями о структуре и механизме русловой турбулентности положены в основу іработки физического обоснования метода моделирования речных потоков и руслового оцесса на деформируемых моделях.
Полученные автором результаты приводятся в ряде монографий и в учебных пособиях по эрии руслового процесса, речной турбулентности и динамике русловых потоков как в гчественных, так и в зарубежных изданиях.
Результаты исследований вошли в программу 17-ой сессии Международных высших дрологических курсов, поддерживаемых ЮНЕСКО, при МГУ, в течение ряда лет пользуются в лекциях по курсу "Гидравлическое моделирование гидрологических оцессов" в Российском государственном гидрометеорологическом институте; а также вошли ачительной составляющей частью в учебный кинофильм "Гидравлика руслового процесса" роизводство киностудии "Киевнаучфильм", 1986 г.).
Предложенные автором и разработанные с его участием приборы и оборудование для мерения характеристик потока и наносов в лабораторньпс и натурных условиях используются научно-исследовательской и научно-практической деятельности Русловой лаборатории и угих отделов ГТИ, на сети Росгидромета, в МТУ и научно-исследовательских институтах сраины, Молдавии, Узбекистана и Казахстана.
Апробация работы Результаты работы неоднократно докладывались Ученому Совету "И. на Всесоюзных межвузовских конференциях по проблеме "Закономерности проявления озионных и русловых процессов" (Москва, МГУ, 1981. 1987), на секции русловых процессов
Научного Совета "Комплексное использование и охрана водных ресурсов" ПСНТ (Ленинг) 1971, 1983), на IV и V Всесоюзных гидрологических съездах (Ленинград, 1973, 1988), конгрессе МАГИ (Лозана, 1987), на конференции МАГИ (Будапешт, 1988), на международі симпозиуме "Встреча стран Востока и Запада, Севера и Юга для обсуждения состояния зна: в области русловых процессов, речной гидравлики и научного обоснова:::» проектированш реках" (Санкт-Петербург, 1994),
Публикации, По теме диссертационного доклада опубликовано более 50 работ (в числе получено 7 авторских свидетельств), подано и внедрено около 20 рационализаторе предложений, выпущено более 20 научно-технических отчетов.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа представлена в фо] доклада и состоит из предисловия и трех глав:
1.Структура турбулентности речных потоков,
2,Подрусловой поток и его взаимодействие с русловым потоком.
3.Физические предпосылки моделирования речных потоков на гидравличес деформируемых моделях.