Автореферат диссертации (Усовершенствование моделей и методов расчета турбулентных течений в недеформируемых границах)

На правах рукописиБрянская Юлия ВадимовнаУСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТАТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ В НЕДЕФОРМИРУЕМЫХ ГРАНИЦАХ05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрологияАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 20172Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательскийМосковский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ).Научный консультант:доктор технических наук, профессорБоровков Валерий СтепановичОфициальные оппоненты: Косиченко Юрий Михайловичдоктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО«Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»,кафедра водного хозяйства, инженерных сетей изащиты окружающей среды, профессорПетриченко Михаил Романовичдоктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВО«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», кафедра «Гидравлика ипрочность», заведующий кафедройСнежко Вера Леонидовнадоктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО«Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А.

Тимирязева», кафедраинформационных технологий в строительстве,заведующий кафедройВедущая организация:ФГБУН «Институт водных проблем Российскойакадемии наук»Защита состоится «16» января 2018 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.03 при ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» по адресу:129337, г.

Москва, Ярославское ш., д. 26 (9 студия, «Открытая сеть»).С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственныйстроительный университет» и на сайте www.mgsu.ruАвтореферат разослан «___» ___________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советаА.С. Бестужева3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность диссертационных исследований.

Для решения инженерных задач гидротехники, водоснабжения и водоотведения, предотвращенияаварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях, регулирования русловых процессов, эффективного экологического мониторинга водных объектов иразработки 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 настоящеговремени не предложено, имеющиеся данные противоречивы и недостаточныдля решения актуальных задач.Процессы формирования турбулентных пульсаций скорости представляются более сложными, поскольку имеет место нестационарный обмен массамии количеством движения между соприкасающимися слоями потока, в результате которого в толще потока возникают турбулентные пульсации скорости.

Этотпроцесс был положен в основу расчета логарифмического распределения скоростей Л. Прандтлем.Известно, что основная часть энергии турбулентных пульсаций скоростисвязана с крупномасштабными турбулентными образованиями, размер которыхсоизмерим с размерами поперечного сечения.

В связи с этим особое внимание вданной работе было уделено расчету крупномасштабных продольных и вертикальных пульсаций скорости.До настоящего времени отсутствует теоретически обоснованный подход красчету 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 режимесопротивления.Расчеты неравномерных течений в речных руслах и открытых каналахпредставляют значительные трудности в связи с недостаточной изученностьюгидродинамических 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 приближенныеметоды интегрирования могут приводить к значительным погрешностям, существенно влияющим на результаты прогнозирования затопления прирусловыхтерриторий, что требует дальнейшего уточнения расчетных методов.4Результаты, полученные для течений в недеформируемых руслах, могутбыть 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 использованиемнесовершенной 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 полученыМ.Р.

Петриченко в области тепломассопереноса, В.С. Боровковым, Ю.М. Косиченко, В.Л. Снежко в области гидравлики трубопроводов и каналов.Современные представления о механизме турбулентности базируются натеории Л.Прандтля, использование которой позволило получить логарифмическое распределение скоростей в турбулентном потоке. Эта теория содержит рядаприорных 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 точностигидравлических расчетов и достоверности гидравлического прогнозированияпри проектировании объектов водохозяйственного и гидротехнического строительства и экологического мониторинга водных объектов.Рабочая гипотеза. Повышение точности и надежности прогнозированиягидравлических характеристик турбулентных потоков может быть достигнутоуточнением фундаментальных принципов и закономерностей гидравлики наоснове детальных исследований кинематики, гидравлического сопротивления,турбулентности в их взаимосвязи с использованием расчетно-аналитических,модельных и натурных исследований водных потоков, что позволит дополнитьи развить систему знаний в области гидравлики.5Задачи исследований.

В соответствии с поставленной целью и рабочейгипотезой сформулированы следующие задачи диссертационных исследований:1. Усовершенствовать методы гидравлических расчетов равномерных турбулентных течений при гидравлически гладком и квадратичном режиме сопротивления, 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.2.

Уточнение модели пристеночного течения и гидравлического сопротивления шероховатой граничной поверхности в переходной зоне.3. Уточнить модель обмена количеством движения на основе феноменологического подхода к расчету интенсивности вертикальных и продольных турбулентных пульсаций скорости.4. Экспериментально исследовать турбулентность открытых, в том числеречных потоков при нестационарном движении.5. Уточнить расчет неравномерного движения в каналах с учетом связи между коэффициентом Шези и коэффициентом Кориолиса.6. Уточнить характеристики неравномерных открытых потоков на основединамического 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 профилейскорости в гладких и шероховатых трубах; зависимости для распределенияскоростей в турбулентном потоке на основе уточненных гипотез о турбулентной вязкости; формулы, учитывающие изменение параметров логарифмического профиля скорости в поперечном сечении турбулентного потока.2.