Диссертация (1141455), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Эйнштейна - Ли и является существенно важным уточнением.Дальнейший анализ, выполненный в настоящей работе, показал, что продолжительность процесса разгона медленных масс, выброшенных в толщу потока, под воздействием сил гидродинамического давления со стороны быстродвижущейся окружающей жидкости близка к периоду разрушения вязкого подслоя.Это позволило заключить, что неустойчивость течения в подслое является «командным» механизмом образования крупномасштабных турбулентных структур впотоке, размеры которых соизмеримы с поперечными размерами потока либопревосходят их.
Анализ измерений турбулентности, выполненных отечественными и зарубежными исследователями, подтверждает как результаты выполненныхрасчетов, так и логику сформулированных представлений о генерации и диссипации турбулентности, которые должны совпадать в равномерном потоке. Действительно, если бы периодичность выбросов медленных масс, порождающих крупномасштабную турбулентность, был бы меньше периода их диссипации, то турбулентность в потоке нарастала и наоборот. Это важное обстоятельство количественно обосновано впервые.Передача энергии от осредненного течения крупномасштабным турбулентным структурам отмечалась многими выдающимися учеными: М.А. Великановым[75-77], В.Н.
Гончаровым [87, 88], А.Н. Колмогоровым [101] и рядом зарубежныхученых [138]. Академиком А.Н. Колмогоровым была предложена так называемая«каскадная» модель передачи энергии от крупномасштабных вихрей к мелкомасштабным, и с использованием принципа размерностей получен закон измененияспектральной плотности в области универсального равновесия частотного спек17тра. Однако исходный механизм передачи энергии от осредненного движения кпульсационному оставался неизученным.В настоящей работе предложен метод расчета продольных крупномасштабных пульсаций скорости, основанный на факте существования турбулентного перемешивания слоев потока и предположения о гауссовском характере пульсацийскорости, подтвержденного экспериментально.
Результаты выполненного расчетастандартов продольных турбулентных пульсаций скорости, полученные на основепредложенного метода, подтверждаются данными измерений разных авторов.Предложена феноменологическая модель расчета вертикальных турбулентных пульсаций скорости, основанная на данных измерений пульсаций донногодавления [108, 109, 133]. Отрицательные пульсации донного давления относительно гидростатического, возникающие в результате искривления придонныхлиний тока при обтекании локальных заторможенных масс жидкости, создаютэффект подъемной силы, которая является физической причиной выброса медленных масс жидкости из области вязкого подслоя в толщу потока.
Использование динамического уравнения, учитывающего начальный импульс силы давления,силу инерции и силу сопротивления, позволило получить изменение вертикальной пульсации скорости по глубине потока. При аналитических расчетах исследовалось влияние зоны действия пульсаций донного давления, изменение пульсационной составляющей давления с расстоянием от дна, а также размеров медленноймассы и коэффициента гидродинамического сопротивления при пульсационномдвижении медленных масс относительно окружающей ее жидкости.В результате выполненного анализа были определены начальные характеристики медленных масс, обеспечивающие достаточно близкое совпадение с данными измерений вертикальных пульсаций скорости в различных точках по глубине потока. Следует отметить, что использованной методикой не предусматривался учет изменения размеров медленной массы в процессе ее движения вследствие вовлечения в пульсационное движение окружающей жидкости, что открывает возможности для дальнейшего уточнения расчетного метода [87, 150].18Следует отметить, что вовлечение быстродвижущейся окружающей жидкости в объем медленной массы и ее разгон приводит к снижению разности скоростей между окружающей жидкостью и медленной массой (т.е.
к уменьшениюпульсационной скорости) при увеличении геометрических размеров «моля», чтоне соответствует данным измерений, согласно которым энергия турбулентныхпульсаций скорости резко снижается с уменьшением размеров «моля». Это важное обстоятельство было учтено при выборе приведенных выше расчетных схем,в которых размеры турбулентных «молей» в процессе их взаимодействия с окружающей их жидкостью принимались постоянными. Вместе с тем известная схема«каскадного процесса» передачи пульсационной энергии от крупномасштабныхвихрей к вихрям (молям) меньшего масштаба, предложенная А.Н.
Колмогоровым[101], казалось бы качественно согласуется с данными измерений энергетическихспектров турбулентных пульсаций скоростей [102, 182, 183, 189, 190], однако неотвечает на вопрос куда «исчезает» часть кинетической пульсационной энергиипри распаде крупных вихрей на мелкие в рамках «каскадного» процесса. Еслирассматривать энергию турбулентных пульсаций как некоторую примесь кажетсяочевидным, что в мелкомасштабных «осколках», образующихся при распадекрупных вихрей на более мелкие, «концентрация» энергетической пульсационной«примеси» не должна изменяться. Очевидно, что каскадная схема А.Н.
Колмогорова формирования частотно-энергетического спектра требует определенногоусовершенствования.В работе дано объяснение феномену резкого снижения энергии мелкомасштабных турбулентных образований, которое объясняется более быстрым «вырождением» мелкомасштабной турбулентности по сравнению с крупномасштабной, что наиболее отчетливо подтверждается данными измерений турбулентностиза решетками различных геометрических размеров Дж.
Бэтчелора и А. Таунсенда[147, 148].Большой научный и практический интерес представляют результаты исследований параметров логарифмического распределения скоростей (параметраКармана и так называемой «второй константы турбулентности», которые в на19стоящей работе были определены на основе компьютерной обработки данных измерений И. Никурадзе в гладких и шероховатых трубах). Уравнения линий тренда, описывающих распределения скоростей по радиусу трубы, находились методом наименьших квадратов, при этом 2-3 сомнительных точки в непосредственной близости от стенки трубы (попадающие в вязкую или буферную зону потока),а также 2-3 точки в приосевой зоне исключались при обработке данных. В результате выполненного анализа было установлено, что как первая, так и вторая «константа турбулентности», обнаруживают по измерениям в гладких трубах отчетливую зависимость от единственного параметра - коэффициента гидравлическогосопротивления X, поэтому более точно эти характеристики профилей скоростиможно было бы назвать параметрами турбулентности.
Для шероховатых трубприведена дополнительная аргументация в пользу этого обстоятельства [53]. Получены зависимости параметров турбулентности от коэффициента гидравлического сопротивления X и установлена функциональная связь между ними [59,155].Полученные уточненные данные по распределению скоростей в вязкомподслое с учетом перемежаемости течения послужили основой для предложенного в настоящей работе способа расчета коэффициента гидравлического сопротивления трубопроводов в переходной области от гидравлически гладкого до квадратичного.
Разработанная модель сохраняет идею частичного экранирования выступов шероховатости пристеночной "пленкой" вязкого течения, однако наполняетэту идею новым содержанием, учитывающим интенсивность нарастания толщинывязкого подслоя во времени, продолжительность этого периода, а также впервыевведенную автором продолжительность периода турбулентного течения, возникающего в пристеночной зоне после разрушения подслоя.
Результаты численногоинтегрирования предложенного сложного уравнения, учитывающего влияниеуказанных факторов на коэффициент гидравлического сопротивления, оказалсяхорошо совпадающим с опытными данными И. Никурадзе и современных исследователей [4, 27, 81, 187]. Следует отметить, что закономерность изменения коэффициента сопротивления в переходной зоне, согласующаяся с характеристика20ми нестационарного течения в вязком подслое, получена впервые и имеет важноепрактическое значение для расчета трубопроводных систем, большинство которых эксплуатируется в режиме переходного сопротивления.Главы 6-я и 7-я посвящены разработке вопросов неравномерного движенияв широких открытых каналах. В шестой главе предлагается уточненное уравнениенеравномерного движения, учитывающее связь между коэффициентом Кориолисаи коэффициентом Шези, которая в традиционном подходе не принимается вовнимание.Получено аналитическое решение уточненного уравнения, позволившеевыполнить количественную оценку уточненных решений, которая в ряде расчетных случаев оказалась существенной.
Так, протяженность кривой подпора и расчетные глубины для условий средней равнинной реки в результате уточнениярасчета увеличиваются до 18% по сравнению с традиционным расчетом, а, следовательно, возрастает и опасность подтопления прирусловых территорий. При решении вопросов, связанных с неравномерным движением в каналах, была исследована связь между расходной характеристикой канала (модулем расхода) с заложением боковых откосов и степенью распластанности поперечного сечения. Полученные зависимости могут быть использованы при инженерных расчетах каналов.При анализе неравномерного течения весьма важную роль играет критический режим, разграничивающий спокойное и бурное состояние потока, различающиеся своими гидравлическими свойствами и внешними проявлениями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
