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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиУСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТАТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ В НЕДЕФОРМИРУЕМЫХ ГРАНИЦАХ05.23Л6 - Гидравлика и инженерная гидрологиядиссертацияна соискание ученой степенидоктора технических наукНаучный консультантдоктор технических наук, профессорБоровков Валерий СтепановичМосква - 20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5Глава 1. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ЛОГАРИФМИЧЕ­СКОГО ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТОМ ГИДРАВЛИЧЕСКОГОСОПРОТИВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ.....................................................................231.1 Феноменологические модели расчета распределения скоростей при раз­личных гипотезах о турбулентной вязкости и длине пути перемешивания...........

231.2 Зависимость параметров профиля скорости от коэффициента гидравличе­ского сопротивления при турбулентном течении в трубах................................... 371.3 Экспериментальное исследование зависимости между параметрами про­филя скорости и коэффициентом гидравлического сопротивления в гладких и ше­роховатых трубах...............................................................................................................421.4 Трансформация параметров логарифмического профиля скорости с рас­стоянием от твердой границы потока............................................................................

491.5 Уточнение кинематических характеристик турбулентного течения в глад­ких и шероховатых трубах..............................................................................................59Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ В ПРИ­СТЕНОЧНОЙ ОБЛАСТИ ПОТОКА............................................................................. 712.1 Физические особенности течения в вязком подслое...................................

712.2 Расчет характеристик течения в нестационарном вязком подслое на осно­ве модели Эйнштейна и Ли..............................................................................................762.3 Уточнение расчетной модели течения в вязком подслое на гладкой грани­це882.4 Экспериментальная проверка расчетных характеристик нестационарноготечения в вязком подслое................................................................................................ 94Глава 3. УТОЧНЕНИЕ ОСНОВ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ТУР­БУЛЕНТНОСТИ..............................................................................................................1013.1Расчет турбулентных пульсаций скорости с использованием диффузион­ной модели переноса......................................................................................................

10133.2 Вертикальный перенос количества движения крупномасштабными турбу­лентными структурами..............................................................................................1203.3 Расчет вертикальных пульсаций скорости с учетом периодов вертикаль­ного переноса и разгона медленной массы жидкости..............................................1293.4 Связь вертикальных пульсаций скорости с пульсациями давления в тур­булентном потоке...........................................................................................................

1443.5 Феноменологический подход к расчету крупномасштабных продольныхпульсаций скорости........................................................................................................ 1483.6 Расчет параметра Кармана с использованием уточненного уравнения Ло­ренца и данных измерений турбулентности.............................................................. 165Глава 4. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЛАБОРАТОРНЫХ И НАТУРНЫХИЗМЕРЕНИЙРАСПРЕДЕЛЕНИЯСКОРОСТЕЙИТУРБУЛЕНТНОСТИВОДНЫХ ПОТОКОВ.................................................................................................... 1774.1 Задачи экспериментальных исследований...................................................

1774.2Параметрылабораторныхгладкихишероховатыхканаловигидравлические режимы их работы............................................................................. 1804.3 Измерительная техника. Оценка точности измерений.............................. 1854.4 Методические особенности натурных измерений турбулентности речныхпотоков1924.5 Особенности турбулентности речных потоков в условиях слабой нестационарности.....................................................................................................................199Глава 5. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ВЯЗКИЙ ПОДСЛОЙ И ПЕРЕХОДНЫЙ РЕ­ЖИМ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ШЕРОХОВАТЫХ ГРАНИЦАХ..............................

2105.1 Особенности поведения вязкого подслоя на шероховатой границе.......2105.2 Распределение скоростей при переходном режиме гидравлического со­противления в трубах..................................................................................................... 2125.3 Расчет распределения скоростей с учетом перемежаемости течения в вяз­ком подслое......................................................................................................................2205.4 Методика расчета коэффициента гидравлического сопротивления трубо­проводов в переходной области................................................................................... 2244Глава 6.

УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ НЕРАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ В КА­НАЛАХ........................................................................................................................ 2316.1 Традиционный энергетический подход к расчету неравномерного движения вшироких каналах...............................................................................................................2316.2 Уточненный анализ условий возникновения критического режима тече­ния в широком открытом потоке.................................................................................

2366.3 Уточнение уравнения неравномерного движения с учетом зависимостикоэффициента Кориолиса от коэффициента Шези a=f(C)...................................... 2436.4 Аналитическое решение уравнения неравномерного движения для широ­кого призматического канала........................................................................................2456.5 Количественные оценки уточненных решений...........................................247Глава 7.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ НЕРАВНОМЕРНОГОУСТАНОВИВШЕГОСЯДВИЖЕНИЯВШИРОКИХПРИЗМАТИЧЕСКИХРУСЛАХ........................................................................................................................... 2537.1 Анализ действующих сил и изменения количества движения в устано­вившемся неравномерном потоке................................................................................ 2537.2 Анализ особенностей напряжений трения при неравномерном движениипотока2587.3 Соотношение коэффициентов гидравлического сопротивления для рав­номерного и неравномерного движения.....................................................................2637.4 Анализ форм кривых свободной поверхности при различных коэффици­ентах сопротивления и числах Фруда.........................................................................2657.5 Экспериментальная проверка реализации кривых свободной поверхно­сти для различных соотношениях коэффициентов гидравлического сопротив­ления и числах Фруда...................................................................................................

269ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................276СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................278ПРИЛОЖЕНИЯ2995ВВЕДЕНИЕАктуальность диссертационных исследований. Для решения инженерныхзадач гидротехники, водоснабжения и водоотведения, предотвращения аварийныхситуаций на гидротехнических сооружениях, регулирования русловых процессов,эффективного экологического мониторинга водных объектов и разработки мероприятий, исключающих кризисные экологические ситуации, требуются все болееточные 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 втурбулентном потоке, перенос количества движения и трения, характеристикитурбулентности при равномерном и неравномерном течении.

Хотя указанныепредставления являются достаточно известными, конкретных расчетов турбулентных пульсаций скорости до настоящего времени не предложено, имеющиесяданные противоречивы и недостаточны для решения актуальных задач.Процессы формирования турбулентных пульсаций скорости представляютсяболее сложными, поскольку имеет место нестационарный обмен массами и количеством движения между соприкасающимися слоями потока, в результате которого в толще потока возникают турбулентные пульсации скорости.

Этот процессбыл положен в основу расчета логарифмического распределения скоростей Л.Прандтлем.Известно, что основная часть энергии турбулентных пульсаций скорости связана с крупномасштабными турбулентными образованиями, размер которых соизмерим 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 гладкогорежима к квадратичному. Практическая важность разработки метода расчета со-6противления для этих режимов связана с тем, что основная часть водоводов систем водоснабжения и водоотведения работает в переходном режиме сопротивления.Расчеты неравномерных течений в речных руслах и открытых каналах представляют значительные трудности в связи с недостаточной изученностью гидродинамических характеристик неравномерных потоков.

Имеющиеся методы расчета основаны на предположении об идентичности гидравлического сопротивленияравномерных и неравномерных течений, постоянстве коэффициента Кориолиса ииспользовании приближенного метода интегрирования, предложенного Б.А. Бахметевым.