Диссертация (1141493), страница 12

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

Текст из файла (страница 12)

Нормировка спектра турбулентных касательных напряженийпроводилась числом Струхаля:Sh u*2(3.14)где ν – кинематический коэффициент вязкости, u* - динамическая скорость,ω - угловая частота.Использование при исследовании спектральных плотностей в качествепараметра числа Струхаля позволило получить инвариантные спектры.

Результатыэкспериментальных исследований пространственной корреляции спектральныхсоставляющих турбулентных пульсаций касательного напряжения при разныхуклонах и наполнениях канала для разных относительных глубин z/h представленына рисунке 3.23.95Рисунок 3.23 – Спектр турбулентных касательных напряженийАнализ графика, представленного на рисунке 3.23 показывает значительнуюнаполненность значений спектральной плотности турбулентных касательныхнапряженийвобласти(1,5-2,35)чиселСтрухаля.Полученныйспектртурбулентных касательных напряжений схож со спектральной плотностью А.Н.Колмогорова (или инерционный диапазон Колмогорова), который характеризуетперенос кинетической энергии от более крупных вихрей к более мелким (диапазондлин lT  l   ), и подтверждает следующее:Турбулентные касательные напряжения определяют перенос масс и потерикинетической энергии в потоке, являясь по сути маркером «каким образомпроисходит перенос кинетической энергии в каскадном процессе».Экспериментам (расчетам), в которых наблюдались области потока, гдезначения квадрантов (u x' u z' ) i  u x' u z' , соответствуют более «крутой» спектртурбулентных касательных напряжений, соответствующий S    4 , представлен96на рисунке 3.24.

Это говорит о том, что в этих областях турбулентный потокформируется вихрями более малых масштабов, на движение которых влияниевязкости становится более значительным.Рисунок 3.24 - Спектр турбулентных касательных напряжений для группы(u x' u z' ) i  u x' u z'3.5 Оценка формы вихревых структур с помощью квадрантовМатематическиспомощьюрасчетапространственно-энергетическиххарактеристик турбулентности (интенсивность турбулентности, коэффициенты,учитывающие силу «положительных» и «отрицательных» пульсаций скорости,турбулентные касательные напряжения и др.) можно проанализировать формувихря и вероятность его трансформации в потоке.97Для оценки формы вихревых образований S i для каждого из квадрантовбыли представлены как функции распределения от параметра a, что позволилоопределить ключевое пространственное направление переноса импульса втурбулентном потоке по глубине, представленное на рисунке 3.25.Рисунок 3.25 - Определение квадрантов для оценки формы вихревыхобразованийГиперболическая заштрихованная зона красным цветом на рисунке 3.25,' 'описывается кривой | u x u z | const , которая в соответствии с Nezu и Nakagawa(1993) [85], называется дырой.| u x' u z' | a u x' u x' u z' u z'Вводпараметраa,называемыйHole(3.15)(размердыры),позволяетклассифицировать перенос импульса на сильные и слабые энергетическиесоставляющие, т.е.

те значения пульсаций скорости на графике, которые непринадлежат гиперболической заштрихованной зоне, ограниченной красным98цветом определяют наибольший вклад в процесс переноса масс. Пульсациискорости, которые принадлежат заштрихованной зоне, соответствуют болееслабому процессу переноса импульса между областями потока.''Введя функцию a i , a ( z , t )  1 , если (u x , u z ) принадлежит i-му квадранту ивыполняетсяусловие| u x' u z' | a u x' u x' u z' u z' ,вовсехостальныхслучаяхa i , a ( z , t )  0.

Тогда формулы (3.9) и (3.10) будут иметь вид:S i ,a (u x' u z' )i ,a(3.16)u x' u z'иT' 'x z i ,a(u u )1 lim  u x' (t )  u z' (t )  ai ,a ( z, t )dtT  T0(3.17)где T – продолжительность выборки.i 4Если параметр a=0, тоi 4тоSi 0|i , a a 0Si 0|i , a a 0 Q1  Q2  Q3  Q4  1 , если параметр a>0, Q1  Q 2  Q3  Q4  1.Для оценки формы вихревых образований, S i для каждого из квадрантовбыли представлены как функции распределения от параметра а, что позволилоопределитьключевоепространственноенаправлениепереносамассвтурбулентном потоке по глубине.

Полученные результаты представлены наРисунках 3.26а и 3.26б.99Рисунок 3.26а - Распределение по глубине Si, как функции от параметра а.Рисунок 3.26б- Распределение по глубине Si, как функции от параметра а.При z/h = 0,15…0,2 в потоке появляется сильный выброс (Q2), наблюдаетсяпроцесс генерации, подтверждая работу Head, M.R., & Bandyopadhyay, P. о том,100чтовпристеннойобластидоминантнаявихреваяструктураимеетшпилькообразную форму.При z/h = 0,2…0,75 наблюдается чередование процессов генерации (Q2) иразвертывания (Q4) (графически представляя собой эллипс), что согласуется спредставлениями М.А. Великанова о крупномасштабных структурах в видекатящихся друг за другом несимметричных «вальцов».В области z/h = 0,75…1,0 поток определяется процессам внешнего Q1 ивнутреннего (Q3) взаимодействий, что говорит о наличии в приповерхностном слоецепочки больших вихрей, что согласуется с данными Гришанина К.В.Уточнение методики анализа вихревых структур в турбулентном потокерекомендуется проводить в виде следующей последовательности (рисунок 3.27):Измерение пульсаций скорости u x' , u z'Расчет интенсивности пульсаций скорости и турбулентныхкасательных напряжения  x , z , zxОпределение весов квадрантов Q1, Q2, Q3, Q4Расчет параметра а (размер дыры) a  f ( x , z )Исключение пульсаций касательных напряжений  zx (выполнениеусловия  zx  a ) до момента получения наиболее вероятногонаправления переноса импульса Q1(2,3,4) для конкретной областипотокаДоминирующее направление переноса импульса для каждойобласти потока позволяет статистически оценить вихревуюструктуру в открытом потокеРисунок 3.27 – Методика анализа вихревых структур в турбулентном потокеТаким образом, уточнение методики анализа вихревых структур с помощьюметода квадрантов позволяет получить наиболее вероятные направления переноса101количества движения по глубине потока.

Полученные результаты составляющихкасательных напряжений, представленные в таблицах 3.3 и 3.4, показывают зоныгенерации, развертки, диссипации и процессы отрыва в различных зонах потока.Определение доминирующих составляющих касательных напряжений позволяетописать эволюцию вихревых образований в любой точке турбулентного потока.ГЛАВА 4. ПРИЛОЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ1024.1 Размывающее действие турбулентного потокаОсновоположниками русловой гидрологии можно назвать крупнейшихтеоретиков судоходного выправления рек (Лохтин В.М., Лелявский Н.С., Фарг Л.),так как русловые процессы исследовались изначально с точки зрения разрешенияпроблемы использования равнинных рек для целей судоходства.

Понятиеруслового процесса, как динамической системы, включающей в себя непрерывновзаимодействующие поток и русло, было введено Великановым М.А. в 1948 г. Всоответствии с [134], механизм движения твердых частиц (наносов) слагающихрусло, определяется низкочастотной частью спектра турбулентных пульсаций,следовательно, крупные вихри определяют структуру руслового процесса. В главе3 настоящей работы предложен анализ вихревых структур в потоке с помощьюметода квадрантов, в рамках которого рассматривается непрерывное полепульсаций касательных напряжений, который может быть использован длякачественной оценки русловых процессов.В равномерном турбулентном потоке все статические одноточечныехарактеристики турбулентности (включая параметры пульсации давления) вобласти около твердой границы могут быть выражены через динамическуюскорость u* и толщину этой области (или высоту выступа шероховатости) [4, 135].Состояние дна, сложенного, например,из несвязанных частиц грунта,характеризуется соотношением между напряжением сдвига  0 , фактическидействующим на дно, и напряжением сдвига  с , вызывающим начальнуюподвижку (перекатывание) частиц [134, 136].

Другими словами, если  с   0 , топроисходит движение несвязных твердых частиц.Величина  с зависит от гидравлической крупности частиц и формы дна.Согласно данных, полученным Б.А. Фидманом [137]: c  u*2c  0,04 gd (  T   )(4.1)103где u*c - величина динамической скорости, соответствующая началудвижения твердых частиц.Согласно обобщениям И.К. Никитина [135] для несвязных твердых частицu*2c  0,2 w(4.2)где w - гидравлическая крупность частиц.Таким образом, оценка момента начала движения частиц несвязного грунта,связана со значением касательного напряжения  с в придонной области.

А оценкамомента начала движения связных грунтов связана существенно с давлением, атакже с пульсациями давления [138].Со времен опытов У. Уайта [139] в 70-80-х годах прошлого века считается,что соотношение  0 /  с является критерием начала движения твердых частиц,строго говоря, для случаев, когда твердые частицы утоплены в вязкий подслой, т.е.когдаu*d 3,5 и частицы обтекаются без образования водоворотов [119].u dВоздействие на частицы при обтекании с большими скоростями ( *  5,6 )связывают с нормальным давлением потока и максимальными мгновеннымизначениями придонных скоростей [136].Д.

И. Кумин [140] полагал, что воздействие потока на дно характеризуютсятолько максимальной мгновенной придонной скоростью, что в ряде случаев несоответствует опытным данным.Согласно опытам В.А. Базилевича [141] в условиях, где пульсация скоростиу дна велика по сравнению с осредненной скоростью, устойчивость частиц грунтазависит не только от значения мгновенной максимальной придонной скорости, нои от величины самих пульсаций скорости. Например, если полуразмах пульсацийменьшеместнойосредненнойскорости,то«допустимая»максимальнаямгновенная придонная скорость над однородным грунтом в яме размыва зазакреплением нижнего бьефа составляет:104u доп. макс.  (2,2  0,6)wd(4.3)Если же полуразмах пульсаций более чем в 2 раза превышает местнуюосредненную скорость, тоu доп.

макс.  (1,32  0,4) wdСиловоевоздействиенаднов(4.4)неравномерномпотокеможнохарактеризовать, также, как и в равномерном потоке, величиной касательного инормального напряжения у дна. Существенное отличие состоит в том, чтопараметры пульсаций силового воздействия здесь уже не могут быть выраженытолько через осредненные значения этих величин, как это было в равномерномпотоке, где основные параметры потока выражаются только через значение2осредненного касательного напряжения на дне  0  u* , в связи с чем для болееточногопрогнозированиярусловыхпроцессовнеобходимоучитыватьнепрерывное поле пульсаций касательных напряжений, рассмотренное ранее вглаве 3 настоящей работы.4.1.1.

Характеристики

Список файлов диссертации