Диссертация (Усовершенствование моделей и методов расчета турбулентных течений в недеформируемых границах), страница 25

Режим работы гладкого канала регулировался сиспользованием компьютера с четырехядерным процессором Core i7-3770K.182Рисунок 4.2 - Лабораторныйгидравлический канал:1 - рабочий участок,2 - головная часть, 3 - сбросной короб,4 - насос, 5 - всасывающий патрубок насоса6 - напорный патрубок насоса, 7 - резервуары с водой,8 - расходомер, 9 - пульт управления режимом работы канала,1 0 - коммутатор дистанционного управления лабораторным каналом,1 1 - пульт управления уклоном канала7183Встроенное программное обеспечение НМ162.12 для управления гладкимканалом позволяет изменять условия эксперимента и выполнять сбор эксперимен­тальных данных.Расход измеряется электромагнитным расходомером (рисунок 4.3,а) классаточности 0,3 с диапазоном измерений 0 - 150 м /ч и фиксируется на дисплее кон­трольной консоли (рисунок 4.3,б) и мониторе компьютера.а)б)Рисунок 4.3 - Измерение пропускаемого расхода: а) электромагнитныйрасходомер, б) дисплеи контрольной консолиПродольный уклон канала устанавливается с помощью домкратной системы,оборудованной электронным пультом управления, и фиксируется по шкале дом­кратной системы, а также передается на монитор компьютера.Один из шероховатых каналов имел постоянный уклон 0,072, длину 12 м иширину 0,6 м.

Вход в канал выполнен в виде водослива с острой переливнойгранью (рисунок 4.4). На дно канала устанавливалось ложное дно из струганныхокрашенных досок, на которое закреплялась искусственная шероховатость в видецилиндрических выступов. Уклон канала контролировался нивелированием.184Рисунок 4.4 - Входной участок лабораторного канала с искусственной шероховатостьюВторой канал с искусственной шероховатостью имел ширину 0,3 м, длину 7,8м, уклон, изменяющийся в пределах от 0,072 до 0,37.Г оловная часть шероховатых каналов выполнена в виде больших ёмкостей срешетчато-сотовыми гасителями, разбивающими поток на ряд струй, энергиякоторых гаситсяинтенсивностьбольшим объемом жидкости, чтоначальныхвозмущенийнасводит к минимумувходе.Питаниеводойэкспериментальных стендов осуществлялось из напорного бака лаборатории,конструкция которого обеспечивала стабильный напор.

Измерение расхода вшероховатых каналах осуществлялось стандартной двухкамерной диафрагмой,установленной на подводящем трубопроводе.Измерения проводились на участках равномерного и неравномерноготечения. Равномерность течения контролировалась по стабилизации глубины ираспределения скоростей по глубине потока.1854.3 Измерительная техника.

Оценка точности измеренийПри проведении лабораторных экспериментов использовалось следующееизмерительное оборудование и приборы [173 - 178].Для измерения глубины использовались электронные шпиценмасштабы рисунок 4.5).Рисунок 4.5 - Электронный шпиценмасштаб: 1 - щуп, 2 - наконечник - игла,3 - цифровой датчик перемещения, 4 - вертикальная штанга, 5 - каретка,6 - рельсы, 7 - продольная шкала на стенке лотка, 8 - дно лоткаПрибор имеет диапазон измерений от 0 до 600 мм, точность - 0,01 мм.При установочных измерениях глубины потока контролировались с исполь­зованием пьезометров, расположенных на щите. Диапазон измерения давлений от0 до 460 мм вод.

столба, точность измерений 0,5 мм вод. столба. Высота щита(460 мм) позволяет измерять давление в любом створе потока, а также отображатькривые свободной поверхности открытого потока по всей длине канала.186Детальные измерения скоростей по глубине потока выполнялись с использо­ванием ЛДИС. Сравнительные измерения проводились с помощью вертушечногодатчика скорости с цифровой индикацией (рисунок 4.6).Диапазон измерения местных скоростей микровертушкой составляет 0,02 5,00 м/с, точность измерения скорости 1 мм/с.цРисунок 4.6 - Датчик скорости течения с цифровой индикацией:1 - измерительный элемент с микрокрыльчаткой (2), 3 - кронштейн со шкалой,4 - системный блок с ЖК дисплеемИзмерение скоростей в шероховатых каналах производилось стандартнойтрубкой Пито с наружным диаметром 3 мм и диаметром центрального отверстия0,5 мм (рисунок 4.7), показания которой сопоставлялись с результатами измере­ний ЛДИС для определения тарировочного коэффициента.187Рисунок 4.7 - Трубка Пито:1 -трубка Пито, 2 - вертикальная штанга с миллиметровой шкалойСледует отметить, что при использовании трубки Пито для измерения осредненных скоростей или осредненного статического давления некоторые исследова­тели отмечают влияние пульсаций скорости на показания трубки Пито [166].

Счи­тается, что трубка Пито фиксирует полный напор, соответствующий вектору пол­ной скорости. Данное положение объясняется предположением о том, что фрон­тальную часть трубки можно считать точкой торможения. В этом случае полноеосредненное давление будет равно:Рп(и +(U+ иU1 j)2+ Ы-2 + U3(4.1)где р полн - осредненное по времени полное давление; р стат - осредненное повремени статическое давление; и1, и2, и3 - продольная, вертикальная и поперечнаяпульсации скорости.188Н а п р ак ти к е д и ам етрки , и в ту р б у л ен тн о мр ы йп р и в о д и тц ен тр ал ьн о гоВн аико твер сти я и м еет к о н еч н у юв ел и ч и н у , о тл и ч н у юп о то к е в сегд а и м еется п о п ер еч н ы йзам етн о м уи зм ен ен и юск о р о стио т т о ч ­гр ад и ен т ско р о сти , к о то ­н а р ассто я н и ир ав н о мд и ам етр уо твер сти я.н ек о то р ы х р аб о тах , н ап р и м ер , Х и н ц е и В ан д ерК ам и н гса[1 4 4 ]п р ии сп о л ьзо ван и итр у б к иХ егге Ц и й н ен аП и то[1 7 2 ], Б э р о ­п р ен еб р егаетсявл и ян и емту р б у л ен тн о сти , то гд а её п о к азан и я р авн ы :------------------------1( 4 .2 )Д л ям о ж н оо ц ен к ивл и ян и яи сп о л ьзо ватьеету р б у л ен тн о стич у в ств и тел ьн о стьн акп о к азан и ятр у б к ин ап р ав л ен и юп о л н о готеч ен и я,н ап о р ато гд авм есто( 4 .1 ) м о ж н о з а п и с а т ь :pполнРсстатигд еc o s ^ =+и1( 4 .3 ).u эффи1эф„ ф=WТ р етьеск о й+U 1Гсл агаем о ех ар ак тер и сти к ив в ы р аж ен и и( 4 .3 ) п р е д с т а в л я е т а п п р о к с и м а ц и юч у в ств и тел ь н о стикн ап р ав л ен и юд л ян еэм п и р и ч е­сл и ш к о мб о л ьш и хв ел и ч и н ф.П од ан н ы мб л и зи тел ьн ои зм ер ен и йр авн о3.встати ч еск и хИ сп о л ьзу яу сл о в и я хр азл о ж ен и евр я дзн ач ен и еп оп о сто я н н о йстеп ен ямВп р и ­ту р б у л ен тн ы хп у л ь сац и й ско р о сти , п о л у ч и м :2 л1PU1РпР стат+^зав и си тско р о стио т.4Bи2В ы р аж ен и е( 4 .2 )Ul2 + U22 + U32+ —1— = — -2и( 4 .4 ) п о к а з ы в а е т , ч т ои н тен си в н о стип о то к а.Д л я28ип о п р ав к а к в то р о м уту р б у л ен тн ы хк о л и ч еств ен н о гоп у л ь сац и йо п р ед ел ен и я2 2( 4 .4 )4сл агаем о м уив ы р аж ен и яо ср ед н ен н о йп о п р ав к итр еб у етсям естн о йи зм ер е-189ние компонентов турбулентной пульсации скорости.

Оценки показывают, что длясредних значений этих компонентов поправка составляет 1,3%.Для измерения профилей скорости в контрольном створе использовалась ла­зерная доплеровская измерительная система (ЛДИС) ЛАД-056.Лазерный анемометр доплеровский ЛАД (рисунок 4.8, рисунок 4.9) предна­значен для прецизионного бесконтактного измерения векторных 3D полей скоро­сти движения жидкостей.В ЛАД-056 реализована возможность дистанционного проведения экспери­ментов.Рисунок 4.8 - Лазерная доплеровская измерительная система (ЛДИС) ЛАД-056190тРисунок 4.9 - Измерение в открытом потоке мгновенного простанственного вектора скоростижидкости в точке пересечения лазерных лучейН и ж н и йм /с ;-Zк о м п о н ен тыXк о м п о н ен тZп р ед елиY-и зм ер я ем ы х-±0 .0 2ск о р о стейм /с ;к о м п о н ен тп о гр еш н о сть± 0 .5 % ; п о г р е ш н о с т ьи зм ер ен и яXиYи зм ер ен и яср ед н ейсо став л яетср ед н ейск о р о сти-± 0 .0 1ско р о стик о м п о н ен ты± 1 .5 % .У п р ав л ен и ех р ан ен и еип р о гр ам м ыи зм ер и тел ьн ы мэк сп о р тЛ А Д056р езу л ьтато вк о м п л ек со мп р иэк сп ер и м ен та[1 2 4 ].

Н а р и с у н к е 4 .1 0п р о в ед ен и ип р о и зв о д и тсяп о к азанго к о м п ью тер а в п р о ц ессе п р о в ед ен и я эк сп ер и м ен та.эк р анэк сп ер и м ен та,ссо ­и сп о л ьзо ван и емм о н и то р а у п р ав л я ю щ е­191Рисунок 4.10 – Экран монитора управляющего компьютераво время проведения экспериментаСреднеквадратические отклонения осевых скоростей uх рассчитывается понижеприведенной формуле, пример распределения продольных скоростей по глубине h исследуемого потока приведен на рисунке 4.11.σ=()21ux − ux ,∑n(4.5)где σ2 − дисперсия; n – объём выборки; ux – осевая скорость i-го элементавыборки; u x – средняя арифметическая скорость выборки.192h,м0.00.10.20.30.40.50.60.70.8Рисунок 4.11 - Распределение осевых скоростей по глубине открытого потока и продольныхпульсаций скорости(Q = 80,17 м3/ч, уклон дна лотка i = 0 ,0 0 1 , глубина потока h = 0,103 м,температура воды t = 15,0oC).4.4 Методические особенности натурных измеренийтурбулентности речных потоковТурбулентность речного потока является непосредственно тем механизмом, спомощью которого поток осуществляет разрушение русла, взвешивание отдель­ностей или несвязных частиц и поддержание их во взвешенном состоянии при пе­ремещении их в продольном направлении осредненным течением.

Именно поэто­му для правильного понимания руслового процесса и расчета взмучивающей итранспортирующей способности потока необходимо знание турбулентных харак­теристик потока. Следует отметить, что эффекты, связанные с турбулентностью,наиболее активно проявляются в периоды половодий. Во время паводка на рав­нинных реках, несущих много льда и плавающего мусора, гидрометрическая вер­193тушка является одним из основных инструментов для изучения турбулентности[16, 76].Для удобства сопоставления результатов натурных измерений турбулентно­сти с многочисленными данными лабораторных исследований выбраны прямоли­нейные участки русла. Следует отметить сравнительно небольшое число система­тических исследований турбулентных характеристик речных потоков [14, 28, 34,39, 40, 62, 89], причем до настоящего времени не разработаны методы унифика­ции экспериментальных данных, которые учитывали бы геометрические и другиеособенности речных русел.