Автореферат диссертации (1141492), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Лаундера, шероховатый напорный канал; 4,5 – Д.И.Гринвальд (речной поток,4 - ровное дно, 5 – гребень гряды); 6-7 М.Х.Ибрагимов (круглая труба 6- Re=32,5*103,7-Re=80*103); 8,9 - аппроксимирующие кривые по опытным данным автораАнализ распределения эксцесса продольных пульсаций по глубине потокапоказал, что в центральной части потока наблюдается наибольшее отклонение отнуля в направлении отрицательных значений, что свидетельствует о том, что наэтих глубинах присутствуют более значительные по величине значенияпульсаций.

Распределение эксцесса вертикальных пульсаций по глубинепоказывает, что при глубине, соответствующей z/h = 0,5 эксцесс наиболее близокк нулю, а у дна и свободной поверхности находится в положительной зоне.Сравнивая абсолютные значения эксцессов можно сделать вывод, что впродольном направлении зафиксированы более значительные по величинепульсации скорости, что отражает растяжение вихревых образований внаправлении движения.Приведенный выше анализ статистических характеристик был направлен нарассмотрение каждой компоненты в отдельности.

Взаимный анализ пульсаций,был проведен через осредненное произведение продольной и вертикальнойпульсации скорости (турбулентное касательное напряжение), а также с помощьюпредставления одновременных пульсаций на координатной плоскости в видеграфика (метод квадрантов).В отличие от ламинарного, в турбулентном потоке касательное напряжениеобусловлено не только вязкостью жидкости, но и вследствие явленияперемешивания. Особенности распределения вязкой и турбулентнойсоставляющих полного касательного напряжения показаны в различных слоях поглубине, толщины которых разделены согласно величинам безразмерныхвертикальных расстояний от твердой границы, выраженные в zu* /  и/или z / h .1415Классификация областей потока по соотношению полного касательногонапряжения представлена в таблице 4.Таблица 4 – Анализ областей потокаНазвание слояГраницы слоя,zu* / и/или z / hСоотношение составляющихполного касательногонапряжения1Вязкий подслойzu* /  5   (du / dz ),  т    ux uz  02Буферный слой5  zu* /  30    uxuz   (du / dz),  т   в3Полностью турбулентныйслой (слой Прандтля)Ядро потокаzu* /  30 ; z / h  0,2№п/п40,2  z / h  1    uxuz   (du / dz ),  т   в    uxuz ,  в   (du / dz)  0Полученныераспределенияинтенсивноститурбулентностивнепосредственной близости к стенке (рисунок 3), в комплексе с приведеннойклассификацией областей потока (таблица 4), позволяют сделать следующийвывод: массы жидкости, поднимающиеся из вязкого подслоя, с развитиемпристеночной вихревой структуры при zu* /  5 приходят в колебательноедвижение, а при zu* /  30 разрушаются с выбросом массы жидкости в основнуютолщу потока.

На рисунке 6 представлено распределение турбулентныхкасательных напряжений в области 0,1  z / h  1 .z/h u x u zu*2Рисунок 6 – Распределение турбулентных касательных напряжений по данным исследований1-10 – NASA (i=0,001; 1 - h=4,2 cм: 2 - h=5,8 cм; 3 – h =3,9 cм; 4 – h =4,2 cм; 5 – h =4,3 cм; 6 – h=4,4 cм; 7 – h =4,1 cм; 8 – h =4,0 cм; 9 – h =4,1 cм; 10 – h =12 cм), 11 – каноническоераспределение полного касательного напряженияПо глубине потока происходит уменьшение значений турбулентныхкасательных напряжений от дна канала к свободной поверхности. Причеммаксимум турбулентных касательных напряжений находится в области 3,согласно классификации, представленной в таблице 4.Комплексный подход к анализу пульсаций дает метод квадрантов, которыйзаключается в представлении касательного напряжения, как суммарного1516пространственного переноса импульса. Перенос представляется в виде графикапульсаций скорости (по осям х и z) в соответствии с квадрантами,предложенными Lu SS, Willmarth WW, как показано схематично на рисунке 7.Рисунок 7 – Определение квадрантовИсследовались следующие квадранты (четверти), образованные осями''координат: Q1 (i = 1, u x  0, u z  0) - (outward interaction – внешнее''взаимодействие, отрыв) Процесс отрыва; Q2 (i = 2, u x  0, u z  0) - (Ejection генерация, выброс, вынос, выталкивание) Процесс генерации, выброса; Q3 (i = 3,u x'  0, u z'  0) - (inward interaction – внутреннее взаимодействие) Процесс''закручивания; Q4 (i = 4, u x  0, u z  0) - (sweep – простирание, изгиб, разрушение,развертывание) Процесс диссипации, развертывание вихря.Анализ экспериментальных данных был выполнен с помощью параметра S i ,который позволяет оценить вклад каждого из квадрантов в турбулентноекасательное напряжение в каждой конкретной точке потока:(u x' u z' ) iSi (5)u x' u z'T1(u u )  lim  u x' (t )  u z' (t )dt(6)T  T0где T – продолжительность выборки.Из формулы 5 следует, что S i  0, когда i = 2 или 4 (область генерации ивыброса) и S i  0, когда i = 1 или 3 (область внешнего взаимодействия иразвертки вихря).

При этом'x'z ii 4Si 0i1(7)Полученные результаты расчета функции S i по экспериментальным даннымпредставлены в таблице 5.1617Таблица 5 – значения функции S i по экспериментальным данным для каждого изквадрантов по глубине потокаz/hQ10,150,30,450,60,750,851,0-0,27…-0,1-0,16…-0,13-9,82…-0,47-0,94…-0,18-2,21…-0,36-0,78…0,520,69…0,72Q2Q30,72…0,77-0,25…-0,080,54…0,72-0,20…-0,171,06…10,58 -11,82…-0,440,74…1,45-1,01…-0,140,87…2,58-2,47…-0,51-0,13…1,29-0,77…0,81-0,20…-0,180,65…0,71Q4Q1+Q2+Q3+Q40,46…0,760,61…0,790,85…12,060,58…0,981,00..3,1-0,19…1,26-0,25…-0,181,01,01,01,01,01,01,0Анализ показал, что во всех случаях распределений параметра S i вблизи дна(z/h = 0,15...0,2) наибольший вклад в касательное напряжение вносят квадрантыQ2 и Q4 (приблизительно на 64 и 60%), в то время как вклады квадрантов Q1 и Q3слабо влияют (примерно на 10 и 14%), соответственно.

Это свидетельствует отом, что появление низкоскоростных областей потока из придонных областейпотока почти компенсируется сменой высокоскоростных областей потока изобласти внешнего потока, а вклады квадрантов Q1 и Q3 соизмеримы. В областипотока, соответствующей максимальным значениям скорости, наблюдаетсяпереориентация квадрантов, и в области выше динамической оси потока (z/h =0,75…1,0) основной вклад в касательное напряжение вносят квадранты Q1 и Q3(приблизительно на 65 и 72%), т.е.

в данной области потоков преобладаютпроцессы внешнего и внутреннего взаимодействий. Графически распределениевесов квадрантов для двух характерных случаев по глубине представлено нарисунке 8.z/hz/hSiSiРисунок 8 – Распределение S i по глубине. Слева – для группы (u x u z ) i  u x u z , справа –''''для группы (u x u z ) i  u x u z''''1718В ходе анализа в отдельную группу были выделены эксперименты (расчеты),в которых наблюдались области (глубины) потока, где веса квадрантов внесколько раз по модулю превышают осредненное значение касательного' '' 'напряжения, т.е.

| u x u z ) i | u x u z или | Si | 1. Пример такого экспериментапредставлен на рисунке 8 справа. Выделение таких компонент в касательномнапряжении важно, например, при расчете силового воздействия потока насооружения, и показывает необходимость рассмотрения помимо осредненных,пульсационных составляющих потока.Распределение кинетической энергии между вихрями разного масштабаопределяется спектральным анализом. Алгоритм расчетов энергетическихспектров основан на разложении в ряд Фурье корреляционной кривой ипредставляет собой косинус преобразование корреляционной функции.рассчитанные по формуле:2 kS1 (m ) (8) R(k ) cos(km ) k 0Использование при исследовании спектральных плотностей в качествепараметра числа Струхаля позволило получить инвариантные спектры.Результаты экспериментальных исследований пространственной корреляцииспектральных составляющих турбулентных пульсаций касательного напряженияпри разных уклонах и наполнениях канала для разных относительных глубин z/hпредставлены на рисунке 9.Рисунок 9 – Спектры турбулентных касательных напряженийПолученный спектр турбулентных касательных напряжений схож соспектральной плотностью в инерциальном диапазоне А.Н.

Колмогорова, которыйхарактеризует перенос кинетической энергии от более крупных вихрей к болеемелким, и подтверждает следующее:- турбулентные касательные напряжения определяют перенос импульса ипотери кинетической энергии в потоке, являясь по сути маркером «каким образомпроисходит перенос кинетической энергии в каскадном процессе».1819- экспериментам (расчетам), в которых наблюдались области потока, где' '' 'значения квадрантов (u x u z ) i  u x u z , соответствуют более «крутой» спектр4турбулентных касательных напряжений, соответствующий закону S    .

Этопо-видимому, говорит о том, что в этих областях турбулентный поток (областьвязкой диссипации) формируется вихрями малых размеров, движение которыхуправляется исключительно действием сил вязкости и не подвергается влияниюосредненного течения.Для оценки формы вихревых образований параметр S i для каждого изквадрантов был представлен как функция распределения от параметра a.Параметр a, называемый Hole (размер дыры), позволяет классифицироватьперенос импульса на сильные и слабые энергетические составляющие, т.е. тезначения пульсаций скорости на графике, которые не принадлежатгиперболической заштрихованной зоне (рисунок 10) определяют наибольшийвклад в процесс переноса импульса.

Характеристики

Список файлов диссертации