Автореферат диссертации (1141454), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Очевидно, что наиболее мощные продольные турбулентные пульсации скорости положительного знака связаны спрохождением через контрольную площадку масс жидкости из поверхностногослоя. При этом величина максимальной положительной пульсации на уровне zfможет быть найдена какu ′x max = u max − u (z f ) ,(52)С использованием степенного профиля скорости запишемnu′x maxuz= 1−= 1−   ,umaxumaxhгде n = A λ (А=0,9 – для течений в трубах; А=1,35 – для течений в широкихканалах.Учитывая, что стандарт пульсаций близок к 1/3 от u’max, находим для стандарта пульсаций следующее выражениеnn+ u′x 1 umax   z   1 umax V   z  =1−   =1−   ,(53)u*3 u*   h   3 V u*   h  которое преобразуется к следующему видуn+ u′x 18   z  = 1 + 1,35 λ1−  (54)u*3λ   h  ()Расчеты по (54), приведенные в диссертации, обнаруживают, что изменение величины положительных пульсаций в толще потока приz> 0,4 близко кhлинейному, и в придонной зоне они достигают величин равных 3,5u*.

При этомвлияние λ на стандарт продольных пульсаций не выходит за пределы 5%. Отрицательные пульсации скорости, наибольшие по модулю, возникают в моменты прохождения через контрольную точку медленных масс жидкости, выбрасываемых из придонных слоев в основную толщу потока. Выброс медленных22масс жидкости связан с разрушением вязкого подслоя, поэтому продольнуюскорость медленных масс принимаем равной скорости на границе вязкого подслоя, которая близка к 10u*. При этом стандарт отрицательных пульсаций скорости можно определить как 1/3 от разности между осредненной скоростью вточке и скоростью медленной массы, выбрасываемой из вязкого подслоя:n− u′x 1 8z=  1 + 1,35 λ(55)  − 10u*3 λhАнализ полученного уравнения позволил выявить возрастание стандартаотрицательных пульсаций с приближением к поверхности потока, что являетсямаловероятным и требует усовершенствования расчетной схемы.

В выполненном расчете продольная скорость медленной массы принималась постоянной вразличных точках по глубине потока, в то время как в действительности онаувеличивается по мере её подъема вследствие разгона. Динамическое уравнение для ускоряющейся медленной массы в проекции на продольное направление движения запишем в виде2[duмu ( z ) − uм ( z )]= ρC D DdzρDlм dz,(56)dt2где им – продольная скорость медленной массы.После преобразований, приведенных в диссертации, уравнение (56) приводится к следующему виду, удобному для дальнейшего анализа()2 u  C h8  z  uм ( z )  z (57)d  м  = D1 + 1,35 λ  − d u5lλhuh max мmax Численное интегрирование уравнения при среднем значении CD=1 иλ=0,02, приведенное в диссертации, показало, что скорость медленной массынарастает в 1,4 раза по мере подъема ее к поверхности потока.

Определениестандарта продольных пульсаций при известных максимальных положительных и отрицательных составляющих показало расхождение результатов расчетас опытными данными при различных значениях λ и CD.Совпадение этих значений можно обеспечить корректировкой величиныlм. Корректировка производилась с использованием исходного динамическогоhуравнения (56), которое может быть записано в безразмерном виде:()nu CD h  u (z ) u м   z d  м  =−  d u*   h  u*  u ′z / u* l м  u*2(58)lмпо этому уравнению производилось при CD=1 и среднемhu′lэкспериментальном значении z =0,83. Расчеты показали, что величина м изu*hменяется по глубине потока от 0,2 до 1,0 и близка к данным измерений продольных корреляций вертикальных пульсаций скорости, приведенных в дисОпределение23сертации.

На основании этого можно заключить, что предложенная схема расчета продольных пульсаций скорости является приемлемой.Полученные данные по продольным и вертикальным пульсациям могутбыть использованы для уточнения представлений о факторах, определяющихвеличину и изменение параметра Кармана в потоке. Для того чтобы установитьсвязь между пульсациями скорости и внутренним трением в турбулентном потоке Л. Прандтль использовал выражение для турбулентных касательных напряжений:τ т = ρ u′xu′z(59)Предполагая, что вертикальные пульсации скорости имеют тот же порядоквеличин, что и продольные пульсации, Л.

Прандтль получил следующее выражение для турбулентных касательных напряжений в потоке:2τ т  du =  κz (60)ρ  dz Принимая во внимание известное выражение для коэффициента корреляции между продольными и вертикальными пульсациями скоростиu′xu′zRxz =(61)22′′ux uzи учитывая (59), запишем:τт= Rxz u ′x2 u ′z2ρ(62)Изменение стандартов пульсаций за пределами вязкого подслоя были аппроксимированы следующими выражениями:для продольных пульсацийu′x2 z=  2,35 − 1,5 u*h(63)u′z2 zдля вертикальных пульсаций= 1,1 − 0,35 (64)u*hСопоставление полученных зависимостей с данными измерений, приведенное в диссертации, показывает их удовлетворительную сходимость.Учитывая изменение τт по глубине потока и полученные аппроксимации(63) и (64) из выражения (62), находимz1−hRxz =(65)z z1,1 − 0,35  2,35 − 1,5 h hРасчетные значения Rxz согласуются с результатами корреляционных измерений Ж.

Конт-Белло в гладком канале.24Принимая во внимание соотношенияучитывая, чтоu ′x2 = (z − z f) dudzu′x2≅ 2,5u′z2τ т Rxz  2  2и= u′  , иρ 2,5  x (где (z – zf) – расстояние от фиксированнойточки zf), запишемRxz(z − z f ) du(66)2,5dzС учетом выражения (60) и (66), находимduRxz(z − z f ) duκz=(67)2,5dzdzСокращая на du dz и дифференцируя оставшуюся часть равенства по z(учитывая, что zf=const), окончательно получаемRxzκ=(68)2,5Результаты расчета параметра κ по (68) с использованием зависимости (65)приведены в таблице 1.Таблица 1 – Расчет величины параметра Карманадля различных значений z/hz0,05 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9u* =hκ0,393 0,392 0,389 0,385 0,378 0,368 0,352 0,329 0,290 0,228Расчеты обнаруживают некоторое увеличение параметра κ в пристеннойзоне потока, что согласуется с данными обработки опытов И.

Никурадзе в гладких трубах, которые приведены в главе 1.Таким образом, установлена связь между параметром Кармана и коэффициентом корреляции продольных и вертикальных пульсаций скорости, которыйявляется параметром, отражающим турбулентное трение, интенсивность и вероятностные свойства турбулентных пульсаций скорости.В четвёртой главе изложены задачи экспериментальных исследований, которые были выполнены с учетом необходимости проверки результатов и зависимостей, полученных расчетно-аналитическими методами. Состав рассмотренных задач и большой объем полученных расчетно-аналитических результатов привел к необходимости выполнения экспериментальных исследований влабораторных и натурных условиях. В ходе лабораторных экспериментальныхисследований выполнялись детальные измерения распределения скоростей вгладких каналах при различных уклонах и наполнениях, обеспечивающих гидравлически гладкий и переходный режимы сопротивления.

В задачи экспериментов входило уточнение констант турбулентности и влияния на них гидравлического сопротивления. Лабораторные измерения выполнялись с использованием лазерного допплеровского измерителя скорости (ЛДИС), который позволял производить высокоточные измерения скоростей и пульсаций с погреш-25ностью 0,5-1,5%. Детальное описание конструкции стендов и измерительногокомплекса, включающего программное обеспечение для накопления и обработки экспериментальных данных, а также управления экспериментом, приведенов диссертации.Неравномерное движение исследовалось на начальном участке шероховатых каналов с различными уклонами и геометрически подобной искусственнойшероховатостью.

Для измерения глубины потока использовался цифровой датчик уровня. Распределение скоростей в этой серии экспериментов измерялосьстандартной трубкой Пито с диаметром приемного отверстия 0,5 мм.Для измерений скоростей в натурных условиях использовалась микровертушка с регистрацией импульсов блоком с цифровой индикацией и записью намагнитофон с последующей обработкой сигнала на ПК. Средние скорости исследованных речных потоков определялись интегрированием измеренных профилей скорости.В процессе обработки опытных данных определялись статистические характеристики турбулентности (центральные моменты распределения вероятностей, автокорреляции и частотные характеристики турбулентных пульсацийскорости). Анализ полученных данных показал, что распределение вероятностей турбулентных пульсаций скорости близок к закону Гаусса. Определениемакромасштабов турбулентности на основе корреляционных измерений показало, что продольные макромасштабы пульсаций скорости в лабораторных инатурных условиях зависят от глубины потока и в среднем близки к 3h.Сопоставление характеристик турбулентности, нормированных динамической скоростью, для речных и лабораторных потоков показало их соответствиев широком диапазоне чисел Рейнольдса.Методика и техника высокоточного измерения скоростей в пристенной зоне потоков позволили исследовать особенности распределения скоростей в этойобласти и установить связь с гидравлическим сопротивлением в переходнойзоне.В пятой главе предложен новый подход к обоснованию зависимости сопротивления шероховатых поверхностей в переходной зоне от гидравлическигладкого сопротивления к квадратичному.

В основу данного подхода положеныполученные зависимости по кинематическим характеристикам нестационарного вязкого течения в пристенной зоне потока. При этом используется предположение, что течение в вязком подслое над шероховатой границей не будутзначительно отличаться от течения на гладкой стенке. В пользу этого предположения можно указать на результаты многочисленных исследований потерьнапора в шероховатых трубах при ламинарном режиме течения, которые не зависят от шероховатости.

Характеристики

Список файлов диссертации