Автореферат диссертации (Усовершенствование моделей и методов расчета турбулентных течений в недеформируемых границах), страница 2

Разработана модель пристеночного течения с учетом перемежаемости, наоснове которой получены формулы для профиля скорости и гидравлическогосопротивления в переходной зоне.3. Получены зависимости для расчета интенсивности вертикальных и продольных турбулентных пульсаций скорости в «ядре потока» на основе уточненной феноменологической модели переноса количества движения.64. Произведен расчет стандартов пульсаций скорости с учетом установленного соотношения между Лагранжевым и Эйлеровым масштабами турбулентности на основе диффузионной модели.5. Определены статистические, пространственные и частотные характеристики турбулентности речных потоков в условиях нестационарности.6.

Выполнен анализ влияния связи между коэффициентом Шези и коэффициентом Кориолиса на характеристики неравномерного движения.7. Получены соотношения, характеризующие турбулентное трение, коэффициенты сопротивления и формы кривых свободной поверхности ускоренныхи замедленных неравномерных течений на основе динамического анализа иэкспериментальных данных.Теоретическая и практическая значимость исследованийРазработаны методы расчета гидравлических характеристик турбулентныхпотоков в недеформируемых границах, уточняющих ряд базовых положенийгидравлики по распределению скоростей и гидравлическому сопротивлениютрубопроводов и открытых каналов, обеспечивающих повышение точности инадежности гидравлических расчетов при проектировании гидротехническихсооружений, водопроводящих систем и разработке мероприятий при проведении гидроэкологического мониторинга.Получены данные по статистическим характеристикам крупномасштабнойи мелкомасштабной турбулентности водных потоков в трубах, каналах и речных руслах, позволяющие повысить надежность прогнозирования распространения примесей в речных потоках.Выявлены факторы, существенно влияющие на точность гидравлическихрасчетов замедленных и ускоренных неравномерных течений в открытых руслах, получены расчетные зависимости для турбулентного трения, коэффициента сопротивления в переходном режиме.Методология и метод исследований: Повышение достоверности гидравлического прогнозирования при проектировании систем и сооружений различного назначения и выполнения экологического мониторинга на водных объектах может быть достигнуто уточнением ряда теоретических положений гидравлики по распределению скоростей в турбулентном потоке, переносу количествадвижения и трения, характеристикам турбулентности при равномерном и неравномерном течении.

Метод исследований – расчетно-аналитический, опирающийся на апробированные гипотезы и модели турбулентных течений в напорных и открытых потоках с использованием лабораторных и натурных экспериментальных данных, полученных с использованием новейшего измерительного оборудования и компьютерной технологии обработки данных.Научные положения и результаты, выносимые на защиту1. Усовершенствованные методы гидравлических расчетов равномерныхтурбулентных течений в трубах при гидравлически гладком и квадратичномрежиме сопротивления с учетом уточненных распределений скоростей, согласующихся с экспериментальными данными по гидравлическому сопротивлению.72. Формулы для распределения скоростей и гидравлического сопротивленияв переходной зоне на основе предложенной модели перемежающегося пристеночного течения.3. Зависимости для определения интенсивности вертикальных и продольных турбулентных пульсаций скорости в «ядре потока» на основе уточненнойфеноменологической модели переноса количества движения.4.

Формулы для стандартов пульсаций скорости на основе диффузионноймодели с учетом установленного соотношения между Лагранжевым и Эйлеровым масштабами турбулентности.5. Статистические, пространственные и частотные характеристики турбулентности речных потоков в условиях нестационарности.6. Количественная оценка влияния связи между коэффициентом Шези и коэффициентом Кориолиса на точность расчетов неравномерного движения в открытых каналах.7. Соотношения для турбулентного трения, коэффициентов сопротивленияи форм кривых свободной поверхности для ускоренных и замедленных неравномерных течений на основе динамического анализа.Личный вклад соискателя заключается в формулировании и доказательстве расчетно-аналитических положений, разработке методических вопросов, ввыполнении экспериментальных исследований, в анализе и обобщении результатов отечественных и зарубежных данных по теме диссертационной работы.Все новые результаты, приведенные в диссертации, получены лично автором.Степень достоверности результатов.Результаты диссертационной работы, основанные на применении расчетно-аналитических и экспериментальных методах исследования, подтвержденные многочисленными данными отечественных и зарубежных авторов, прошлиширокую апробацию, были опубликованы в 57 научных статьях, в том числе 35в журналах рекомендованных ВАК, в 1-й монографии.Апробация результатов.Результаты исследований были доложены и получили положительнуюоценку на 13 научных конференциях: 1.

Заочный научно-технический симпозиум, Москва, МГСУ, 1998; 2. Вторая научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов, докторантов, Москва, МГСУ, 1999; 3. Международный симпозиум «Гидравлические и гидрологические аспекты надежности ибезопасности гидротехнических сооружений», Санкт-Петербург, 28 мая – 1июня 2002; 4. Научно-практическая конференция – выставка «Современныеприборы, оборудование и технологии, применяемые в строительстве, инженерных изысканиях, обследовании сооружений и обеспечении качества работ, Москва, 2002; 5.

Международная научно-теоретическая конференция, СанктПетербург, СПбГПУ, 2004; 6. 10-й Международный симпозиум по речным наносам (10-th ISRS), Москва, Россия, 2007; 7. VIII конференция «Динамика итермика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей», Москва, РУДН, 23-25ноября 2009; 8. XIII Международная межвузовская научно-практическая конференция «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва,8МГСУ, 14-21 апреля 2010; 9.

Научно-техническая конференция «Совершенствование технологии строительства и ремонта трубопроводов» в рамках 9-й Российской выставки с международным участием «Трубопроводные системы.Строительство, эксплуатация, ремонт», Москва, 7-9 декабря 2010; 10. Международная научная конференция «Интеграция, партнёрство и инновации встроительстве, науке и образовании», Москва, МГСУ, 2011; 11. Всероссийскаяконференция «Ледовые и термические процессы на водных объектах России»,Рыбинск, 24-29 июня 2013; 12. Международная научно-практическая конференция «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем».

ч. III“Гидротехническое строительство», Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 2013; 13.VIII Международная научно-практической конференции «Динамика и термикарек, водохранилищ и прибрежной зоны морей», Москва, РУДН, 24-27 ноября2014.Публикации.Основное содержание работы изложено в 57 статьях, в том числе 35 в рецензируемых журналах из «Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций насоискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» ВАК Минобрнауки РФ, монографии, а также в 2-х зарубежных научных изданиях.Объем и структура диссертации.Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и 13 приложений, общим объемом 348 страницмашинописного текста. Объем диссертации без учета приложений составляет298 страниц, в том числе включает 92 рисунка, 32 таблицы, список литературыиз 220 наименований, в том числе 77 зарубежных.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫПервая глава диссертации направлена на уточнение базовых положенийгидравлики по распределению скоростей в гладких и шероховатых трубах, которые не согласуются с современными экспериментальными данными.

Выполненный критический обзор методов расчета распределения скоростей в турбулентных потоках показал, что расчетные зависимости обнаруживают значительные расхождения.Как известно, до настоящего времени используются логарифмическиепрофили скорости, полученные Л. Прандтлем и И. Никурадзе на основе полуэмпирической теории турбулентности:u 1 u* zдля гладких труб= ln+ C1 ;(1)u* κνu 1 zдля шероховатых труб(2)= ln + С2 ,u* κ k sгде u – осредненная местная скорость; u* - динамическая скорость; z – вертикальная координата; ks – эквивалентная песочная шероховатость.9Параметры κ и С теоретически не были определены и установлены на основе опытов И. Никурадзе. Обычно считается, что первая и вторая константытурбулентности в среднем имеют постоянные значения (κ=0,4; С1=5,5;С2=8,48). Однако детальный анализ измерений показал, что параметры κ и С неявляются постоянными.

В настоящей работе установлено, что параметры профиля скорости κ и С связаны между собой и зависят от коэффициента гидравлического сопротивления λ. Автором установлен вид этих зависимостей, которые для течения в гладких и шероховатых трубах записываются соответственноследующим образом:8 1  1,158 1  1,15C1 =− − 2,3  ;C2 =− − 3,5 (3)λ κ λλ κ λТаким образом, на основе проведенного исследования установлено болееточное описание кинематической структуры потока с изменяющимися параметрами профилей скорости, согласующееся с закономерностями сопротивления.Детальный анализ локальных значений параметров κ и С показал, что ониизменяются с расстоянием z от стенки трубы и обнаруживают заметную тенzденцию к возрастанию в приосевой зоне потока > 0.8 и некоторое увеличениеrzзначений в пристенной области < 0.1 .