Автореферат диссертации (Совершенствование методики анализа вихревых структур в турбулентном потоке)

На правах рукописиСергеев Станислав АлексеевичСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ВТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрологияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20182Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московскийгосударственный строительный университет».Научный руководитель:кандидат технических наук, доцентВолгина Людмила ВсеволодовнаОфициальные оппоненты:Ханов Нартмир Владимировичдоктор технических наук, профессор, ФГБОУВО «Российский государственный аграрныйуниверситет – МСХА имени К.А. Тимирязева»,кафедрагидротехническихсооружений,заведующий кафедройГрицук Илья Игоревичкандидаттехническихнаук,доцент,ФГБУН «Институт водных проблем РАН»(ИВП РАН), лаборатория динамики русловыхпотоков и ледотермики, старший научныйсотрудникВедущая организация:ФГБУН «Институт водных и экологическихпроблем Сибирского отделения Российскойакадемии наук» (ИВЭП СО РАН)Защита состоится 20 ноября 2018 г.

в 14.00 часов (по местному времени) назаседании диссертационного совета Д 212.138.03, созданного на базе ФГБОУ ВО«Национальный исследовательский Московский государственный строительныйуниверситет», по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 9 студия«Открытая сеть».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет» ина сайте www.mgsu.ruАвтореферат разослан «15» октября 2018 г.Ученый секретарьдиссертационного советаБестужева Александра Станиславовна23ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследований связана с оценкой возможных русловыхдеформаций, возникающих вследствие динамического воздействия турбулентногопотока.

Динамическое воздействие определяется как направлением и величинамисил, действующих на контактной поверхности русла и водного потока, так ипульсационными составляющими основных характеристик потока. Одной изсуществующих проблем при строительстве и дальнейшей эксплуатациигидротехнических сооружений является проблема устойчивости русла,(взвешивание частиц грунта, разрушение береговой линии, размыв ложа руславблизи подпорной конструкции и т.д.), влияющей на надежность всегосооружения в целом.

В свою очередь русловые деформации связаны смакромасштабами турбулентности (размерами самых больших вихрейтурбулентного потока), следовательно, совершенствование методики анализавихревых структур с использованием поля пульсаций касательных напряженийявляется актуальной темой исследования.Степень разработанности темы исследований.Эксперименты О. Рейнольдса положили начало исследованиямстатистических свойств турбулентности. Характеристики турбулентного теченияявляются вероятностными, что привело к необходимости их осредненногоописания, математически описываемыми уравнениями Рейнольдса.

Основыструктурного подхода к изучению турбулентности (выявление вихрей различногопространственно-энергетического масштаба) были заложены Л. Ричардсоном. Втурбулентном потоке непрерывно происходит процесс переноса кинетическойэнергии от более крупных вихрей к более мелким вплоть до диссипации в тепло,при этом размер самых больших вихрей определяется осредненнымипараметрами потока в соответствии с геометрическими характеристикамитечения.

M.A. Великанов впервые обратил внимание на важность изучениякрупномасштабных структур, разработав модель перемещения в потоке жидкихвальцов, геометрические характеристики которых, пропорциональны масштабампотока. Идея М.А. Великанова об образовании у тормозящей стенки вихревыхструктур в дальнейшем получила развитие в работах K.B.

Гришанина,A.Б. Клавена, Б.A. Фидмана, H.E. Кондратьева, Н.С. Знаменской, А.В. Караушеваи др. Более современные методы визуализации течения и рост вычислительныхмощностей позволили описать формы когерентных структур в трехмернойпоставке и идентифицировать в потоке структуры постоянного масштаба(X.

Иммамото, T. Ишизаки, Д. Гулливер, H. Накагава, Э. Незу, Д. Хаген, М.Куросака, М. Хеад, М. Бандипадхая, C. Раджопалан, A. Антония). Гипотезыструктурной турбулентности основаны на обработке и систематизацииэкспериментальных данных, но не учитывают в полной мере особенностейтурбулентного потока, в связи с чем в настоящее время не существует единойобщепринятой концепции кинематической структуры турбулентного потока.Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы состояла всовершенствовании методики анализа вихревых структур открытого34турбулентногопотокаиспользуяпространственно-энергетическиехарактеристики турбулентности.В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решеныследующие задачи:1.

Проанализировать компоненты тензора турбулентных напряжений(касательных напряжений и диагональных дисперсий) в уравнениях Рейнольдса.2. Выполнить эффективное планирование эксперимента, при которомобеспечивается требуемая достоверность полученных реализаций пульсацийскорости для расчета характеристик турбулентности.3. Получить распределения по глубине потока основных статистическиххарактеристик турбулентности для продольной и вертикальной пульсациискорости (интенсивности турбулентности, коэффициента асимметрии, эксцесса).4. Оценить вязкую и турбулентную составляющие касательных напряженийна основе анализа распределения касательных напряжений по глубине с учетомизменения расстояния от дна к свободной поверхности.5. Проанализировать наиболее вероятные направления переноса импульсапо глубине потока.6.

Проанализировать пульсации турбулентных касательных напряжений,выявить особенности спектров турбулентных касательный напряжений.7. Уточить методику расчета возможных деформаций русла под действиемполя пульсаций турбулентных касательных напряжений.Научная новизна исследований.1. Разработана универсальная методика проведения эксперимента,обеспечивающая требуемую достоверность полученных экспериментальныхданных при минимизации времени, затраченного на каждый эксперимент,основанная на анализе стабилизации величины интенсивности турбулентности.2.

Предложена методика исследования поля пульсаций турбулентногокасательного напряжения по глубине, суть которого заключается в представлениикасательного напряжения, как суммарного пространственного переноса импульса.Выявлен вклад каждого типа возмущений касательного напряжения враспределение турбулентных касательных напряжений по глубине. Найденыобласти потока для которых характерны условия, при которых значенияпульсации турбулентных касательных напряжений больше осредненногозначения на порядок.3.

Подтверждена схожесть спектра турбулентных касательных напряженийсо спектром А.Н. Колмогорова, выявлена область спектра касательныхнапряжений, соответствующая переходной области между инерционным идиссипативным интервалами.4. Предложена методика анализа вихревых структур в потоке, на основаниистатистического анализа непрерывно пульсирующего поля касательныхнапряжений по времени и пространству. Методика позволяет оценить формувихря, классифицируя процесс переноса импульса на сильные и слабыеэнергетические составляющие.

Выявлены случаи, при которых процесс45турбулентного обмена в большей степени формируется энергией вихрей малыхразмеров, движение которых не подвергается влиянию осредненного течения.Теоретическая и практическая значимость работы. Используя данныераспределений статистических параметров турбулентности для вертикальной ипродольной пульсации скорости, а также с учетом усовершенствованнойметодики исследования поля пульсаций турбулентного касательного напряженияпо глубине разработаны предложения по совершенствованию методов расчетавозможных деформаций русла под действием поля пульсаций турбулентныхкасательных напряжений у дна.Методология и метод исследований.

Приоритетом в проведенииисследований являлась их практическая направленность с последующиманализом и закреплением полученных результатов. В ходе исследованийиспользовались, как апробированные модели, так и современные методы расчетатурбулентных течений.Личный вклад заключается в выполнении основного объема теоретическихи экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе,включая разработку теоретических моделей, методик экспериментальныхисследований, проведение исследований, анализ и оформление результатов в видепубликаций и научных докладов.Положения, выносимые на защиту:- методика оптимизации времени проведения эксперимента, при которомобеспечивается требуемая достоверность полученных реализаций пульсацийскорости для расчета характеристик турбулентности, основанная на оценкеколичества замеров, необходимых для стабилизации стандарта пульсаций.- методика исследования поля пульсаций турбулентного касательногонапряжения по глубине, суть которого заключается в представлении касательногонапряжения в виде графика пульсаций скорости (по осям х и z).- результаты анализа распределения составляющих турбулентногокасательного напряжения по глубине, определяющих процессы внешнеговзаимодействия, генерации, закручивания и развертки вихрей.- особенности анализа спектра турбулентных касательных напряжений свыделением диапазона соответствующего переходной области междуинерционным и диссипативным интервалами.- усовершенствованная методика анализа вихревых структур в потоке,позволяющая оценить форму вихря, классифицируя процесс переноса импульсана сильные и слабые энергетические составляющие.Достоверность результатов и сделанных на их основе заключенийподтверждается использованием апробированных расчетно-аналитическихметодов расчета, высокой точностью полученных данных собственныхизмерений, показывающих хорошую сходимость с данными экспериментальныхисследований разных авторов.Апробация работы.