Диссертация (1141493), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Используя данныераспределений статистических параметров турбулентности для вертикальной ипродольной пульсации скорости, а также с учетом усовершенствованной методики7исследования поля пульсаций турбулентного касательного напряжения по глубинеразработаны предложения по совершенствованию методов расчета возможныхдеформаций русла под действием поля пульсаций турбулентных касательныхнапряжений у дна.Методология и метод исследований. Приоритетом в проведенииисследований являлась их практическая направленность с последующим анализоми закреплением полученных результатов.
В ходе исследований использовались, какапробированные модели, так и современные методы расчета турбулентныхтечений.Личный вклад заключается в выполнении основного объема теоретическихи экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе,включаяразработку теоретических моделей, методик экспериментальныхисследований, проведение исследований, анализ и оформление результатов в видепубликаций и научных докладов.Положения, выносимые на защиту:- методика оптимизации времени проведения эксперимента, при которомобеспечивается требуемая достоверность полученных реализаций пульсацийскорости для расчета характеристик турбулентности, основанная на оценкеколичества замеров, необходимых для стабилизации стандарта пульсаций.- методика исследования поля пульсаций турбулентного касательногонапряжения по глубине, суть которого заключается в представлении касательногонапряжения в виде графика пульсаций скорости (по осям х и z).- распределение составляющих турбулентного касательного напряжения поглубине,определяющихпроцессывнешнеговзаимодействия,генерации,закручивания и развертки вихрей.- спектр турбулентных касательных напряжений с выделением диапазонасоответствующего переходной области между инерционным и диссипативныминтервалами.8- усовершенствованная методика анализа вихревых структур в потоке,позволяющая оценить форму вихря, классифицируя процесс переноса импульса насильные и слабые энергетические составляющие.Достоверность итоговых данных и сделанных на их основе заключенийподтверждается использованием проверенных методов расчета, высокой точностиполученных результатов, показывающих хорошую сходимость с даннымиэксперимента.Апробация работы.
Результаты исследований были доложены на XIXМеждународной межвузовской научно-практической конференции студентов,магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство – формированиесреды жизнедеятельности» и Международной научной конференции «Интеграция,партнёрство и инновации в строительной науке и образовании 2016».Публикации. Научные результаты достаточно полно изложены в пятинаучных публикациях, из которых три работы опубликованы в журналах,включенных в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должныбыть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соисканиеученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук»,Минобрнауки РФ.Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит извведения, четырех глав и списка литературы. Работа изложена на 142 страницах,содержит 11 таблиц, 65 рисунков. Список использованной литературы содержит143 наименований, из них 67 на иностранных языках.9ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОСТРУКТУРЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ОТКРЫТЫХ ПОТОКОВ1.1 Изменение режима течения от ламинарного к турбулентному. Условияперехода, энергетические и структурные последствияБлагодаря экспериментам [1] с окрашенными струйками в потоке английскийфизик О.
Рейнольдс в 1883 году научно обосновал и подтвердил существованиедвух характерных режима движения жидкости [2-5]. Хотя в 1839 г. Г. Хаген [5] испустя сорок лет в 1880 г. Д.И. Менделеев отмечали в своих работах феномен, чтодвижущаяся жидкость может как сохранять определенный строй, так и бытьбессистемной [6].Опыты показали следующую особенность движения жидкости: при малыхскоростях окрашенная тонкая струйка движется в потоке обособленно, несмешиваясь с другими областями, однако при дальнейшем увеличении скоростипотока в определенный момент струйка принимает волнообразное очертание,изгибается, и жидкость окрашивается по всему сечению.В первом случае режим, при котором сохраняется параллельно-струйноедвижение жидкости получил название ламинарный.
В этом случае движениепотока определяется в соответствии с теорией сопротивления Пуазейля (законгласит, что сопротивление прямо пропорционально первой степени скорости).Движение жидкости, для которого характерно перемешивание слоев внаправлениях, перпендикулярных направлению основному вектору движенияпотока,получилоназваниетурбулентного,котороеопределяетсяэкспериментальным законом Шези (здесь сопротивление прямо пропорциональноквадрату скорости). Ключевым признаком турбулентного течения, который можноодновременно приравнивать к его отличительным свойствам следует назватьвизуально определенную беспорядочность пульсаций скорости.10Средняя скорость, при которой происходит нарушение ламинарного режимаи переход потока в турбулентный, называется критической скоростью.В условиях эксперимента, когда изначально поток турбулентный, ипроисходит уменьшение средней скорости вплоть до значений ниже критической,поток переходит из турбулентного режима в ламинарный.
При этом значениякритических скоростей при которых происходит смена режима движения дляодного и того же потока не одинаковы, в связи с этим были введены понятияверхняя и нижняя критические скорости, в зависимости от характера перехода(верхняя критическая скорость – переход от ламинарного к турбулентному режиму,нижняя – от турбулентного к ламинарному).ДальнейшиеисследованияРейнольдсавтрубопроводахразличныхдиаметров привели его к выводу, что непосредственно скорость нельзя считатькритерием, определяющим режим движения жидкости. Тогда для определениярежима движения жидкости был введен более универсальный критерий,впоследствии названный числом Рейнольдса, который зависит не только отсредней скорости, но и от геометрии и вязкости потока. Своими опытамиО.
Рейнольдс доказал, что в момент перехода из ламинарного режима втурбулентное, критическое число Reкр = 2320.Процесс возникновения турбулентности определяется разнообразнымифакторами, которые связаны с нарушением устойчивости основного движенияпотока. Возникновение турбулентности приводит к разделению всей массыдвижущейся жидкости на отдельные объемы, совершающие индивидуальныедвижения, при сохранении своего участия в общем движении.Ландау (1944), а впоследствии Хопф (1948) выдвинули гипотезу, в которойнеустойчивостьотождествляетсяснекимуникальнымпроцессом,активизирующимся внутри структуры ламинарного движения. По мнению ученых,турбулентность позиционируется в качестве активного процесса наложенияколебаний частот и амплитуд. Иными словами, турбулентность обусловленапоявлением возмущений с другими частотами [7].
Если колебания нарастают, а11частоты несоизмеримы между собой, то общее поле возмущений представляетсобой достаточно сложный процесс, поэтому отождествить данное явление спроцессом перемешивания масс уже не представляется логичным [8].По мнению Пригожина И. плавный переход от начального состояниядвижения жидкости (ламинарное состояние) к турбулентному режиму можнопредставить в виде вполне естественного процесса самоорганизации, в которомэнергия«тепловогохаосатрансформируетсявглобальноедвижениеупорядоченных структур, являющихся диссипативными» [9]. Опираясь на данноеутверждение, был сделан следующий вывод: при переходе к состояниютурбулентности, возрастает упорядоченность внутренней структуры системы в«сопоставлении с хаосом молекулярного хаотичного движения» [9].В научном мире явлению турбулентности посвящено достаточно многоработ, среди которых следует выделить труды Г.
Шлихтинга [10]. В исследованияхученого глубоко описан метод слабых колебаний, сущность которых определяетсяналожением 2-х плоскопараллельных потоков (течений). Каждый из потоковвполне можно считать классическим примером возмущающей среды, в которойпреобладают отдельные колебания (пример – волна, активно распространяющаясявдоль оси «х»).Ниже, составлено комплексное выражение для функции тока отдельногоколебания: ( x, y, z) ( y)e i ( axt ) ,(1.1)где φ представляет собой комплексную амплитуду – функцию координаты yкоординаты и приравнивается к сумме (φr +iφi).
Действительная величина αнаходится в зависимости от параметра λ (длина волны), что нагляднодемонстрируетсясоотношением:λ=2π/α,гдеβ–частотаколебаний,приравнивается к сумме βr +iβi, и βr величина круговой частоты. По знаку частотыβi можно сделать вывод, происходит нарастание или затухание колебания.Подставляя производные для продольной и вертикальной составляющихскорости от функции тока по (1.1) в уравнение Навье-Стокса, выводим стандартное12линейное дифференциальное уравнение 4-го порядка относительно амплитудыφ(y). Данное равенство является дифференциальным уравнением возмущающегодвижения и рассматривается в качестве ключевого алгоритма для исследованияустойчивости плоскопараллельного ламинарного течения, решением котороговыступает комплексное значение [10].Танкенсон и Рюэль в 1971 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
