Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Медленно движущаяся вода у дна, естественно, повернется на значительно больший угол,' чем быстро движущийся поток у поверхности. Можно считать, что оба эти слоя подвергаются действию одной и той же силы давления, направленной к центру кривизны. Если влиянием силы тяжести можно пренебречь, то потока (рис, 3.3.2). В области решетки это вызывает вторичное течение с компонентой скорости, ориентированной поперек потока, которая определяет перенос части движущегося воздуха вдоль верхней и нижней стенок тракта в направлении внутренней (ближней к центру кривизны поворота) стенки наряду со слабым компенсационным течением в сторону ядра потока: Формула Сквайра показывает, что интенсивность вторичного течения, порожденного прохождением потока через решетку, не зависит от размеров решетки, а зависит, главным образом, от угла поворота потока.

Длительность же его существования тем меньше, чем короче участок, на котором происходит поворот потока, а вращательные движения, возникающие .в ячейках решетки, быстро гасят друг друга после поворота. ГЛАВА а положение центра кривизны можно определить по наклону свободной поверхности, так что уравнение гидростатики здесь применимо для всей толщи течения. Результатом поворота будет снос быстротекущих поверхностных слоев воды в сторону внешнего берега (рис. 3.4.2 и 3.4.3). Здесь внимательный читатель усмотрит противоречие с ранее обсуждавшимся положением о том, что течение должно замедляться на внешней стороне потока и ускоряться на внутренней, однако в данном Рнс.

3 4.3. Траектории частиц в основном течении и пограничном слое реки прн ее повороте вправо. Оараауется наиравяеииая вротив течения коиооиента вектора аавнкрениостн м, случае речь идет о трехмерном, а не плоском течении. Поэтому внешний берег речной излучины размывает, а с противоположной стороны, где течение замедленно, скапливаются наносы. Таким образом, русло реки в целом смещается в сторону излучин и со временем приобретает все более усложняющуюся извилистую форму (рис, 3.4.4). Проводя это рассмотрение, мы предполагали, что вся завихрепность уже суШествует в жидкости к тому моменту, когда она оказывается в интересуюшей нас области, и что ложе реки не вносит дополнительных возмущений.

На практике завихренность непрерывно возникает и передается течению. Если бы этого не происходило, то вторичное течение, возникающее при прохождении Вледующей излучины, имеюшей противоположную кривизну, в значительной степени зависело бы, во-первых, от того, насколько был велик прежний угол поворота, вызвавший перемещение поверхностей Бернулли в новое положение, и, вовторых, от величины вектора вторичной завихренности и момента количества движения, приобретенных данной порцией жидкости после прохождения предыдущей излучины. В реках ВторнчнАЯ ЗАВнхренность завнхренность довольно интенсивно генерируется в придонных слоях течения, так что поток, подойдя к следующей излучине, практически не испытывает влияния состояния, в котором находилась данная масса воды прн прохождения предыдущей нз» лучины.

В других ситуациях, когда поле скоростей существенно изменяется под действием вторичной завнхренностн, использованный нами прием аппроксимации явления в первом приближении йимвш Рис 3.4.4. Меаидрвроваиие реки под действием поверхностного и придоииого потоков.

Виешииа берег излучины реки разрушается асиевиым ливер»иестмым потоком, движущимся быстро, е ив внутреннем берету вевинкешт етлежелия наносов ив иридсниеге слОя, движущегося медлеиие. В ревулетете се временем мевндрнревеиие реки увели чав в ется. оказывается неприменимым нлн применимым лишь качественно. В ряде случаев картина явления настолько сложна, что не может быть н речи о каком бы то нн было детальном количественном описании. Рост излучин (меандров'>) часто приводят к образованию серповидных озер в долине реки — стариц.

Одну нз наиболее примечательных иллюстраций влияния вторичной завнхренностн представляет боковое русло для отвода воды нз прямолинейного русла. Можно считать, что характер течения в таком ложе определяется сопротивлением течения в поверхностных слоях н ускорением за счет поля давления, связанного с формой свободной поверхности. Поле давления определяется характером течения основной массы жидкости выше прндонного пограничного слоя; на рнс. 3.4.5 и Термины «меаидр», «меаидрироваиие» произошли от названия реки в Карин, Малая Азия (Меапоег по-латыии, Ма~аписов по-гречески); явление описано Ксенофонтом в 375 году до и. в.

ГЛАВА 3 показан случай, когда расход воды в отводном канале составляет одну треть от расхода воды в основном потоке. Поле давления имеет здесь, с одной стороны, малый градиент, направленный вниз по течению, который уравновешивает сопротнвленне русла, а с другой стороны, более значительные поперечные градиенты, которые замедляют основной поток н направляют массы воды в боковой канал. Для основного течення характерна почти постоянная глубина н практически нуле- Рис. ЗЛ,Б. Характер течении вблизи водозабора, устроенного под примым углом к прнмолинейному основному руслу.

Липки па рпсупке карактерпауют топографию (+ к — ) саободков поаерхкостп и лапки тока оскоакого течение (бокоаое капал отводит примерно одну треть потока ка оскоапого течепкпи Стрелка покааыпают папраалекке прпдоккого течении; я~ и Гч — точки тормо- жепка а атом течении. вая дивергенция, поэтому его можно изображать с помощью линий тока, густота которых обратно пропорциональна величине скорости течения (рнс. 3.4.5). Прндонное течение, показанное на рис.

3.4.5 короткими стрелками, обладает расходнмостью, а точки торможения Я, н Яу в данном случае соответствуют разделению потоков. Точное положение этих точек полностью определяется геометрней течения в каждом конкретном случае. Области высокого н низкого давления показаны знаками е+» н « — » соответственно. Наиболее существенной особенностью рассматриваемого примера является наличие зоны повышенного давления, внутри которой основное течение замедляется, н зоны пониженного давления в области обтекания угла криволинейным потоком, направляющимся в отводной канал. Следствием этого является ВТОРИЧНАЯ ЗАВИХРЕННОСТЬ то, что по меньшей мере две трети придонного течения уходит в боковое русло. Можно так спроектировать отводной канал, что все придонное течение будет уходить в него. В качестве одного из простых объяснений причины гибели цивилизации в Двуречье часто выдвигалась мысль о том, что строители ирригационных сооружений на Тигре и Евфрате, от эффективности которых зависели сельское хозяйство и вся цивилизация в целом, не имели ни малейшего представления о вторичном течении и упорно строили отводные каналы под прямым углом к основному водотоку.

Поэтому каналы систематически блоки- Рнс. ЗЛ.6. Отвод воды с внеианей стороны излучины. Преданное течение н наносы в отводной канав не повевают. ровались донными наносами, и все попытки очистить их приводили лишь к общему повышению уровня (обмелению) ирригационной системы, так что постепенно гравитационного напора стало недоставать и орошение земель прекратилось. Создающее наносы вторичное течение возникает в области обтекания потоком верхнего по течению угла. Одна из точек торможения, он находится иа углу входа в канал, расположенном ниже по течению, где имеет место максимум давления.

Другая точка торможения, ой, расположена там, где две силы (снла, обусловленная градиентом давления, и сила трения верхних слоев) равны и противоположны по направлению. В этой точке линия тока главного течения пересекает изобару под прямым углом. Чтобы избежать отложения наносов в отводном канале, он должен начинаться на внешней стороне изгиба основного потока (рис. 3.4.6), где придонное течение отходит от внешнего берега излучины.

Количество отложений, выносимых из главного русла, можно уменьшить и другим способом, а именно создать в потоке продольную стенку, которая заставит поток, входящий в боковое русло, замедляться еще до того, как он начнет ГЛАВА 3 102 изгибаться в направлении бокового русла. Таким способом придонное течение в основном потоке будет отсекаться от входа в боковое русло (рис. 3.4.7). Перейдем теперь к рассмотрению остаточного вторичного течения в главном потоке после прохождения входа в отводной канал.

Рнс. ЗА.7. Искусственное замедление течения перед входом в излучину с целью уменьшения попадання наносов в отводной канал. 3.5. Колебания в изогнутых трубах (3.5.1) В обозначениях равд. 3.2, проиллюстрированных на рис. 3.5.2, ~р представляет собой угол, на который поверхность Бернулли поворачивается относительно линии тока. Если для выявления основного механизма процесса предположить, что поверхности Бернулли имеют одну и ту же угловую скорость на рассматриваемом участке трубы, то можно написать юз=2 — =2д — ~. пт дз (3,5,2) В данном рассмотрении мы пренебрегаем воздействием градиента плотности, если не считать замечания качественного характера в конце раздела. Следовательно, силой тяжести тоже можно пренебречь, поэтому для удобства мы будем рассматривать движение, происходящее в горизонтальном изгибе (рис.

Характеристики

Список файлов книги