Диссертация (Совершенствование методики анализа вихревых структур в турбулентном потоке)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиСергеев Станислав АлексеевичСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ВИХРЕВЫХСТРУКТУР В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрологияДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:к.т.н., доц.

Волгина Л.В.Москва – 20182ОглавлениеВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................... 4ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОСТРУКТУРЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ОТКРЫТЫХ ПОТОКОВ .................................. 91.1 Изменение режима течения от ламинарного к турбулентному. Условияперехода, энергетические и структурные последствия ............................................... 91.2 Модель турбулентного течения О. Рейнольдса, осреднение ипульсационные характеристики ..................................................................................

131.3 Уравнения Рейнольдса для турбулентного течения. Проблемызамыкания и основные гипотезы. Обмен импульсами и массой между слоямитурбулентного потока ................................................................................................... 151.4 Состояние вопроса о моделировании вихревых структур втурбулентном потоке .................................................................................................... 221.5 Статистические, энергетические и пространственные характеристикитурбулентности ..............................................................................................................

32ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ОТКРЫТЫХТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ .................................................................................... 362.1 Экспериментальные стенды, параметры .................................................. 362.2 Измерительная техника, возможности и ограничения. Лазернодоплеровская методика измерения турбулентности ................................................. 412.3 Особенности измерения турбулентности методом лазернойдоплеровской анемометрии (ЛДА). Особенности расчета статистическиххарактеристик турбулентности ....................................................................................

452.4 Разработка методики оптимизации временных затрат на проведениеэксперимента.................................................................................................................. 513ГЛАВА 3. МЕТОДИКА АНАЛИЗА ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ВТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ ....................................................................................... 543.1 Статистические характеристики турбулентности ................................... 553.1.1 Закон распределения вероятности пульсаций скорости ....................

553.1.2 Второй центральный момент ................................................................ 583.1.3 Третий центральный момент ................................................................ 633.1.4 Четвертый центральный момент .......................................................... 673.2 Касательные напряжения в открытом турбулентном потоке.................

693.3 Метод Lu SS, Willmarth W.W. Квадранты ................................................ 833.4 Энергетические спектры касательных напряжений ................................ 893.5 Оценка формы вихревых структур с помощью квадрантов ................... 96ГЛАВА 4. ПРИЛОЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ............. 1014.1 Размывающее действие турбулентного потока ..................................... 1024.1.1. Размыв несвязных частиц грунта ...................................................... 1044.1.2 Процесс деформации русла под действием касательной силы у дна внижнем бьефе............................................................................................................... 1114.2 Учет турбулентности при определении критической скорости длядвухфазных потоков на примере ВУТ ...................................................................... 116ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...............................................................................................

128СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ................................................... 129СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 1314ВВЕДЕНИЕАктуальность 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 изсуществующихпроблемгидротехническихприсооруженийстроительствеявляетсяидальнейшейпроблемаэксплуатацииустойчивостирусла,(взвешивание частиц грунта, разрушение береговой линии и размыв ложа руславблизи подпорной конструкции и т.д.), влияющей на надежность всего сооруженияв целом. В свою очередь русловые деформации связаны с макромасштабамитурбулентности (размерами самых больших вихрей турбулентного потока),следовательно, совершенствование методики анализа вихревых структур сиспользованием поля пульсаций касательных напряжений является актуальнойтемой исследования.Степень разработанности темы исследований.С точки зрения турбулентных структур, поток представляет собойсуперпозицию вихрей различного пространственно-энергетического масштаба.

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 осредненными параметрамипотока в соответствии с геометрическими характеристиками течения. M.A.Великанов впервые обратил внимание на важность изучения крупномасштабныхструктур,разработавмодельперемещениявпотокежидкихвальцов,геометрические характеристики которых, пропорциональны масштабам потока.Идея М.А.

Великанова в дальнейшем получила развитие в работах K.B.Гришанина, A.Б. Клавена, Б.A. Фидмана, H.E. Кондратьева, Н.С. Знаменской, А.В.Караушева и др. в результате которых стала общепринятой концепция обобразовании у тормозящей стенки вихревых структур, передающих сопротивленияв толщу потока. Более современные методы визуализации течения и рост5вычислительных мощностей позволили описать формы когерентных структур втрехмерной поставке и идентифицировать в потоке структуры постоянногомасштаба (X.

Иммамото, T. Ишизаки, Д. Гулливер, H. Накагава, Э. Незу, Д. Хаген,М. Куросака, М. Хеад, М. Бандипадхая, C. Раджопалан, A. Антония).Разработанные гипотезы структурной турбулентности основаны на обработке исистематизации экспериментальных данных и не отражают в полной мереособенностей турбулентного потока. До настоящего времени не существует единойконцепции кинематической структуры турбулентного потока.Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы состояла всовершенствованииметодикианализавихревыхструктуроткрытоготурбулентного потока используя пространственно-энергетические характеристикитурбулентности.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 планирование эксперимента, при котором обеспечиваетсятребуемая достоверность полученных реализаций пульсаций скорости для расчетахарактеристик турбулентности.3.Получить распределения по глубине потока основных статистическиххарактеристик турбулентности для продольной и вертикальной пульсацийскорости (интенсивности турбулентности, коэффициента асимметрии, эксцесса).4.Получить и проанализировать распределение касательных напряженийпо глубине.

Оценить вязкую и турбулентную составляющие касательныхнапряжений с учетом изменения расстояния от дна к свободной поверхности.5.Проанализироватьнаиболеевероятныенаправленияпереносаимпульса по глубине потока.6.Проанализировать пульсации турбулентных касательных напряжений,выявить особенности спектров турбулентных касательный напряжений.67.Дать примеры практического применения полученных результатовисследования.Научная новизна исследований.1.Разработана методика проведенияэксперимента, при которомобеспечивается требуемая достоверность полученных реализаций пульсацийскорости для расчета характеристик турбулентности при минимальной длинереализации, т.е. затраченного времени на каждый эксперимент вне зависимости отметода получения экспериментальных данных, основанная на оценке количествазамеров, необходимых для стабилизации интенсивности турбулентности.2.Предложена методика исследования поля пульсаций турбулентногокасательного напряжения по глубине, суть которого заключается в представлениикасательного напряжения, как суммарного пространственного переноса импульса.Выявленвкладкаждоготипавозмущенийкасательногонапряжениявраспределение турбулентных касательных напряжений по глубине.

Найденыобласти потока для которых характерны условия, при которых значения пульсациитурбулентных касательных напряжений больше осредненного значения напорядок.3.Подтвержденасхожестьспектратурбулентныхкасательныхнапряжений со спектром А.Н. Колмогорова, выявлена область спектра касательныхнапряжений, соответствующая переходной области между инерционным идиссипативным интервалами.4.Предложена методика анализа вихревых структур в потоке, наосновании статистического анализа непрерывно пульсирующего поля касательныхнапряжений по времени и пространству. Методика позволяет оценить формувихря, классифицируя процесс переноса импульса на сильные и слабыеэнергетическиесоставляющие.Выявленыслучаи,прикоторыхпроцесстурбулентного обмена в большей степени формируется энергией вихрей малыхразмеров, движение которых не подвергается влиянию осредненного течения.Теоретическая и практическая значимость работы.