Диссертация (Усовершенствование моделей и методов расчета турбулентных течений в недеформируемых границах), страница 3

VIII конференция «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей», Москва, РУДН, 23-25 ноября 2009; 8. XIII Международнаямежвузовская научно-практическая конференция «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 14-21 апреля 2010; 9. Научнотехническая конференция «Совершенствование технологии строительства и ре-12монта 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 в строительстве, науке и образовании», Москва, МГСУ,2011; 11. Всероссийская конференция «Ледовые и термические процессы на водных объектах России», Рыбинск, 24-29 июня 2013; 12. Международная научнопрактическая конференция «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем». ч. III “Гидротехническое строительство», Москва, ФГБОУ ВПОМГУП, 2013; 13. VIII Международная научно-практической конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей», Москва, РУДН,24-27 ноября 2014.Личный вклад соискателя заключается в формулировании и доказательстверасчетно-аналитических положений, разработке методических вопросов, в выполнении экспериментальных исследований, в анализе и обобщении результатовотечественных и зарубежных данных по теме диссертационной работы. Все новые результаты, приведенные в диссертации, получены лично автором.Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованыв 57 статьях, в том числе 35 в рецензируемых журналах из «Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научныерезультаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук», рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, монографии, а также в 2-х зарубежных научных изданиях, и прошли апробацию наРоссийских и международных научных конференциях.Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и 13 приложений, общим объемом 348 страниц машинописного текста. Объем диссертации безучета приложений составляет 298 страниц, в том числе включает 92 рисунка, 32таблицы, список литературы из 220 наименований, в том числе 77 зарубежных.13Активные и все более усложняющиеся по своей методологии исследованиятурбулентных течений продолжаются после работы О.

Рейнольдса, опубликован­ной в 1898 г. [126]. О. Рейнольдс, опираясь на принципы суперпозиции, разделилдвижение жидкости на основное (осредненное по времени) и молярное (пульсационное), которое складывается с осредненным в каждый момент, образует акту­альное турбулентное движение. В период создания работы О. Рейнольдса экспе­риментальные данные о характеристиках и структуре турбулентности отсутство­вали, и очевидная, на первый взгляд, хаотичность турбулентных (пульсационных)составляющих движения наводила на мысль об их идентичности с тепловым(броуновским) движением молекул, правда в значительно более крупных геомет­рических масштабах, чем движения броуновские.

На это прямо указывает О. Рей­нольдс. Вместе с тем укоренившиеся к тому времени в термодинамике представ­ления о хаотичности броуновского движения были перенесены на турбулентныепульсационные движения, которые рассматривались далее как движения хаотиче­ские, образующиеся под действием системы случайных факторов. Именно это об­стоятельство определило на более чем сто лет многочисленные статистическиеподходы к анализу турбулентных течений. В исследованиях турбулентности сприменением статистических подходов участвовали крупнейшие ученые ХХ века,такие как В.К.

Гейзенберг [170], Л.Д. Ландау [104], А.М. Обухов [117, 118], Дж.Бэтчелор и А.А. Таунсенд [147, 148], А.Н. Колмогоров [101], А.С. Монин и А.М.Яглом [114], Л.Г. Лойцянский [105], И.О. Хинце [138], Б.А. Фидман и В.К. Дебольский [91-93, 135-137] и другие [10, 74, 80, 106]. Несмотря на участие блестя­щих ученых и упорный штурм проблемы, турбулентность оказалась «крепкиморешком», и создание теории турбулентности до настоящего времени не завер­шено, несмотря на попытки использования компьютерных технологий для по­строения численных моделей турбулентности. Особенность любой статистики анализировать и выявлять статистические взаимосвязи между различными харак­теристиками случайных явлений, не открывая причинно-следственных связеймежду ними.

Возможно, именно разделение единого движения жидких масс наосредненное и пульсационное с появлением вследствие этого незамкнутой систе­14мы уравнений, явилось тупиковым направлением в поисках решения проблемытурбулентности, которая требует поиска априорных гипотез и дополнительныхсоотношений, позволяющих замкнуть систему уравнений. Бесплодные попыткидостичь успеха на этом пути в течение более 120 лет не внушают надежды на ус­пех и заставляют искать иные подходы к расчету характеристик турбулентности.Таким образом, поиски физически оправданных концепций и методов расчета ха­рактеристик турбулентности содержат признаки принципиальной важности и ак­туальности данного направления поисков и исследований.К настоящему времени наиболее эффективным оказался феноменологиче­ский подход, основой которого является связь турбулентности с характеристика­ми осредненного течения, удачно использованная Л.

Прандтлем при разработкеполуэмпирической теории турбулентности [121]. Эта связь реализуется в видепростого соотношения' 1dUUx = 1~Г ,dz/14С1)(где l - длина пути перемешивания),в котором, по умолчанию, заложен важнейший физический смысл, заключаю­щийся в том, что турбулентные пульсации продольной скорости возникаютвследствие турбулентного обмена массами и количеством движения между со­седними слоями турбулентного «сдвигового» течения. Этот физический смыслостался за рамками дальнейших исследований турбулентности. С использованиемприближенного термодинамического по сути соотношения Лоренцат= u'xu'z(2)и ряда слабо обоснованных предположений Л. Прандтлю удалось получить такназываемый логарифмический профиль скорости, приемлемость которого былаподтверждена опытными данными И.

Никурадзе:u = — In z + Cк(3)Попытки уточнить или избежать предположений, использованных Л. Пран­дтлем при получении логарифмического профиля скорости, предпринимались15разными учеными: Ж.В. Буссинеском, А.А. Саткевичем, Л.Д. Ландау и рядомдругих [104, 127, 152]. Несмотря на очевидную значимость полученных результа­тов и соотношений для практики, эти исследования по ряду объективных обстоя­тельств не дали ответа на физические причины возникновения турбулентности,которые начали приоткрываться только в последние десятилетия в результатеразвития техники измерений, позволившей проникнуть в тончайшие пристеноч­ные слои потока, где течение считалось ламинарным. Наблюдения за течением впристеночных слоях, сделанные с помощью ультрамикроскопа [134], с примене­нием техники водородных пузырьков [157], термоанемометрических измерений[100, 146] и, наконец, лазерные допплеровские измерения [94 и др], выявили по­явление пятен нестабильности течения у стенки и перемежаемости течения в при­стеночных слоях потока [139, 164].

Эти явления привлекают все большее внима­ние исследователей. В результате многочисленных измерений была выявлена чет­кая периодичность нарастания и разрушения вязкого пристеночного течения (вяз­кого подслоя), при котором медленно движущиеся массы жидкости из пристеноч­ных слоев выбрасываются в толщу потока, обеспечивая перенос импульса силытрения в толщу потока. Теоретический расчет перемежающегося течения на осно­ве упрощенного уравнения движения был выполнен Х.А.

Эйнштейном и Х. Ли[163], которым удалось получить профиль скорости для нестационарного теченияв вязком подслое. Этот расчет был модифицирован В.С. Боровковым и Ф.Г. Майрановским [9], а также автором [15, 17, 29, 32, 63], с более точным условием наверхней границе вязкого подслоя, в результате чего удалось рассчитать характе­ристики периодичности нарастания и разрушения подслоя, согласующиеся с дан­ными измерений С.Г.

Ничаса [199] и других исследователей. Возникающие приэтом компенсационные движения водных масс, приносящих в пристеночные слоиизбыточное количество движения из поверхностных слоев в расчетах не учитыва­лось.С использованием указанных данных, представлений о перемежаемостивязкого и турбулентного течения в пристеночных слоях потока предложен методрасчета распределения скоростей в турбулентном потоке при доквадратичном ре­16жиме гидравлического сопротивления, на основе которого получена формула длярасчета коэффициента сопротивления в переходном режиме от гидравлическигладкого сопротивления к квадратичному [41-44]. Проверка полученного профиляскорости на соответствие закономерностям гидравлического сопротивления в доквадратичной зоне, выполненная автором, определила необходимость введения врасчетную модель периода турбулентного течения в пристеночной зоне [36], чтоне предусматривалось моделью Х.