Исследование циркуляционного движения в поперечном сечении руслового потока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

Введение.

Глава. I. Обзор исследований циркуляционного движения жидкости в трубах и каналах.

§1. Результаты экспериментального исследования циркуляционного движения жидкости в трубах и каналах.

§2. Аппаратура и методика исследования поперечной циркуляции в каналах.

§3. Теоретические исследования поперечной циркуляции в каналах.

§4. Экспериментальные |анные о- распределении турбулентных характеристик в прибрезЬрй' области русловых потоков.

Глава. 2. Измерительная аппаратура и методика регистрации циркуляционного движения в натурных и лабораторных условиях

§1. Прямая регистрация поперечных составляющих средней скорости течения в области циркуляции.

§2. Непрерывная синхронная регистрация трех компонент вектора мгновенной скорости течения

§3. Методика регистрации поперечной циркуляции в лабораторных и натурных условиях.

Глава. 3. Результаты исследования и анализ поперечного циркуляционного движения жидкости в прямых русловых потоках.

§1. Результаты экспериментального исследования поперечной циркуляции.

§2. Исследование структуры турбулентности в области циркуляции в натурном русловом потоке.

§3. Анализ поперечной циркуляции на основе решения уравнений движения русловых потоков.

Глава 4. Автономная прибрежная струя в русловом потоке.

§1. Жидкая граница мевду зоной поперечной циркуляции и центральной частью руслового потока.

§2. Экспериментальное исследование движения потока на границе прибрежной области.

§3. Анализ результатов экспериментального исследования движения потока вблизи жидкой границы.

Актуальность темы» Решение большинства геофизических задач, связанных с вопросами динашки и термики водоемов,зависит от того, насколько хорошо исследованы законы изменения коэффициентов обмена массой,теплом и примесью по сечению потока в зависимости от внешних параметров и характеристик самого потока.

Известно,что при лашнарном движении коэффициенты обмена минимальны и равны молекулярному коэффициенту диффузии. При турбулентном движении они на порядок и более превышают молекулярные, а при возникновении циркуляционного движения достигают максимальных величин. В последнем случае в потоках возникает интенсивное перемешивание, обусловленное перемещением жидкости по всей зоне циркуляции, при этом существенно меняется динамика потока в области циркуляции. Меняется также обмен с окружающей средой, если циркуляция возникает вблизи границ. В связи с этим, исследование циркуляционного движения и условий его возникновения представляет огромный интерес для геофизических задач и различных технических приложений.

Большую роль играет циркуляционное движение в формировании динамической и термической структуры поверхностного слоя океана, причем интервал масштабов циркуляционного движения весьма, широк ( Шулейкин В.В. /51/, Монин А.С. ,Яглом A.M. /38/). Крупномасштабная циркуляция формирует однородный слой океана глубиной от десятка до нескольких сотен метров. Микроциркуляция в поверхностном слое океана оказывает существенное влияние на величину потока энергии, направленного из океана в атмосферу. Таким образом, построение моделей климата, расчет течений в океане и атмосфере, решение проблем прогноза погоды невозможно без учета циркуляционного движения и без четкого понимания механизма его возникновения.

Особое значение имеет циркуляционное движение вблизи границ потоков жидкости. В тепломассообменной аппаратуре при возбуждении циркуляционного движения вблизи поверхности обмена существенно увеличивается к.п.д. установок. При транспортировке жидкостей по трубам циркуляционное движение в пристеночной области потоков препятствует образованию застойных зон,ликвидируя нежелательное налипание, особенно,вязких жидкостей на. стенки труб.

Циркуляционное движение вблизи размываемых поверхностей в реках и каналах оказывает существенное влияние на. размыв берегов, дна и весь русловой процесс. Регулярный перенос взвешенных частиц на. максимально большое расстояние, соответствующее размерам зоны циркуляции, приводит к образованию баров и промоин способствуя или препятствуя заилению и загрязнению водоемов. В области, где происходит циркуляция жидкости в потоку возрастают градиенты средней скорости и,следовательно, интенсивность пульсационного движения. При этом размыв дна возрастает (Гришанин К.В. /9/).

В связи с этим, начиная с работы А.Эйнштейна /52/, исследователи русловых процессов считают, что причиной меандрирования русел является поперечная циркуляция жидкости,существующая в потоке. Однако, до сих пор в естественных русловых потоках поперечная циркуляция обнаружена только на поворотах русла.

Некоторые косвенные данные о поперечной циркуляции на прямых участках потоков, средняя скорость которых меняется в направлении движения, были получены в работах Лосиевского А.И./25/, Великанова М.А./6/, Фидмана Б.А./45/. Однако, Великанов М.А. отмечает,что этот тип циркуляции не является устойчивым.

Таким образом, вопрос о существовании поперечной циркуляции на, прямых участках русловых потоков остается открытым.

Между тем, в экспериментальных исследованиях движения потоков в прямых каналах некруглого поперечного сечения была обнаружена поперечная циркуляция жидкости в угловых зонах каналов. В работах Вrundrett Е./55/, fiesstter F. 6./59/ была проведена прямая регистрация поперечных составляющих вектора средней скорости течения в зоне циркуляции.

Хотя до сих пор физическая модель наблюдаемого явления полностью не разработана, было установлено, что необходимым условием поперечного движения в угловых зонах каналов является несимметричность граничных условий относительно оси канала.

Следует отметить, что в прибрежной области русловых потоков граничные условия также несимметричны относительно их оси. Следовательно, можно ожидать, что в этой области потоков в их прямых и извилистых частях существует поперечное циркуляционное движение.

Большое практическое значение вопросов, связанных с исследованием поперечной циркуляции вблизи твердых границ русловых потоков (выправительные работы на руслах в целях улучшения судоходства, строительство каналов стабильного сечения, промывка наносов, очищение каналов и отстойников и т.д.) требует изучения поля скорости течения в этой области потоков, по которому можно установить существование поперечной циркуляции и построить физическую модель этого явления.

Целью настоящей работы является экспериментальное и аналитическое исследование поперечной циркуляции в прибрежной обла.сти потока, скорость которого не меняется в направлении движения.

При этом решались следующие конкретные задачи:

1.Прямая регистрация трех компонент вектора средней скорости течения и трех компонент пульсационной составляющей вектора скорости в области берегового откоса прямого руслового потока.

2. Получение экспериментальной и теоретической зависимостей параметров поперечного циркуляционного движения от характеристик потока.

3. Определение критических значений характеристик потока, при которых возникает поперечное циркуляционное движение вблизи берегового откоса руслового потока.

4. Изучение механизма возникновения поперечной циркуляции у берегового откоса прямых русловых потоков на основе проведенного экспериментального исследования и анализа уравнений движения.

Научная новизна работы. Впервые проведена прямая регистрация поперечной циркуляции жидкости у берегового откоса прямых участков русловых потоков, скорость которых постоянна в направлении движения, в натурных и лабораторных условиях. Разработана физическая модель поперечной циркуляции в береговой зоне прямых участков русловых потоков. Ha. основе разработанной модели получена, зависимость скорости циркуляции от характеристик данного потока, проверенная в натурных и лабораторных условиях. Между областью циркуляции и центральной частью руслового потока, движение в которых турбулентно, обнаружена граница, на которой коэффициент обмена близок молекулярному, что препятствует перемешиванию вод береговой зоны и центральной ча.сти потока. Разработана, физическая модель, объясняющая механизм этого явления.

Практическая ценность работы. Разработанная аппаратура, и методики использовались для определения трех компонент средней и пульсационной составляющей скорости течения в натурных и лабораторных условиях, обеспечивая надежность и стабильность полученных данных.

Полученные результаты исследования поперечной циркуляции вблизи берегов прямых участков русловых потоков уточняют физическую картину движения русловых потоков, что позволит усовершенствовать существующие методики расчета каналов стабильных сечений, используемые при проектировании новых каналов и проведении выправительньтх работ в существующих руслах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались: на. семинарах кафедры физики моря и вод суши МГУ (I981-1984г.), на семинаре проблемной лаборатории эррозии почв и русловых процессов МГУ (4 февраля 1985г.), на. конференции "Ломоносовские чтения" МГУ, 1983г., конференции "Эррозионно-аккумулятивные процессы и народное хозяйство" МГУ,1984г., Всесоюзной научной конференции "Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства" МГУ,1983г., Второй Всесоюзной конференции "Динамика, и термина рек, водохранилищ и эстуариев", Москва, 1984г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано в открытой печати девять статей.

Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Разработан трехкомпонентный термогидрометр и создана специальная методика., основанная на. его применении, позволяющие проводить прямую синхронную регистрацию трех компонент вектора мгновенной скорости течения, а. также регистрацию трех компонент вектора средней скорости, в модельный и натурных русловых потоках.

2. В прибрежной области прямых русловых потоков, скорость которых не меняется вдоль по течению, с помощью прямой регистрации компонент вектора средней скорости обнаружена поперечная циркуляция жидкости; исследована, зависимость параметров циркуляции от характеристик потока. Установлено, что зона, циркуляции во всех потоках занимает начальную часть логарифмической области профиля средней скорости.

3. Обнаружено, что зона, поперечной циркуляции жидкости в русловом потоке, начиная с некоторого критического значения скорости циркуляции, отделяется от центральной части потока, жидкой границей, на которой коэффициент обмена близок к молекулярному; образуя тем самым автономную турбулентную прибрежную струю, не смешивающуюся с центральной частью потока.

4. Ha. основе полученных экспериментальных данных выяснено, что возникновение поперечной циркуляции в прибрежной области потока и возникновение жидкой границы между областью циркуляции и центральной частью потока обусловлено сменой устойчивости движения жидкости к присутствующим в потоке возмущениям, причем в первом случае она. определяется критическим значением угла, наклона логарифмического профиля средней скорости к оси абсцисс, а во втором случае - критическим значением локального градиента.

- 164 средней скорости на границе области циркуляции. Оба критических значения получены экспериментально.

5. Анализ уравнений движения жидкости в прибрежной области русловых потоков, проведенный на основе использования полученных экспериментальных данных, показал, что механизм возникновения поперечной циркуляции (а) и жидкой границы (б) между областью циркуляции и центральной частью потока заключается в изменении соотношения энергии возмущений и диссипации этой энергии, обуслоь ленном изменением структуры турбулентности при росте градиента средней скорости потока: а) с ростом градиента средней скорости в прибрежной области потока растет градиент анизотропии пульсаций скорости течения, в результате чего увеличивается значение ротора средней скорости потока, в соответствии с установленной аналитической зависимос

Ъ1 '—1. — тью ротора скорости от величины ^ йу - у'2-) . Существует критическое распределение roi^v в поперечном сечении потока, при котором возникает поперечная циркуляция жидкости; б) с ростом градиента средней скорости потока на внешней границе области циркуляции возрастает интенсивность турбулентност а размер турбулентных образований уменьшается, что приводит к резкому увеличению энергозатрат на. преодоление трения, в результате чего пульсации скорости потока затухают.

6. Получено аналитическое выражение, связывающее скорость циркуляционного движения с турбулентными характеристиками потока. Расчеты, выполненные по этой зависимости, хорошо соответствуют результатам прямых измерений в модельных и натурном потоках.

В заключение благодарю научного руководителя профессора. Ю.Г.Пы кина за помощь и постоянное внимание к ра.боте, профессора. Г.Г.Хунджуа. за ценные консультации и обсуждения, сотрудников и преподавателей кафедры физики моря и вод суши за содействие, оказанное при выполнении работы.

- 163 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Алтунин B.C. и др., 1975, Интенсивные русловые деформации реки Амударьи, Ашхабад: Ыкым, 102 с.

2. Бай Ши И , 1962, Турбелентное течение жидкостей и газов, М.: ИЛ, 3444 с.

3. Власенко Ю.Д., 1966, Формирование русла на участке поворота при неустановившемся режиме движения воды,- В кн. Исследование турбулентных одно- и двухфазных потоков, Кинв: Наукова. думка., 125-138.

4. Джозеф Д., I981. Устойчивость движения жидкости. М.: Мир, 638 с.

5. Еуковский Н.Е.,1931. О движении на повороте реки. Труды ЦАГИ, вып. 95, 467, 54-84.

6. Зегжда А.П.,1957. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах. M.-JI.: Госстройиздат, 276 с.

7. Зрелов Н.П., 1959. Циркуляционное течение и осаждение наносов в каналах прямоугольного сечения. Труды Гидравл. лабор. ВНИИ ВОДГЕО, вып. 7, 221-262.

8. Ибрагимов М.Х.,1966. Расчет касательных напряжений на стенке канала и распределения скоростей при турбулентном течении ' жидкости. Атомная энергия, т. 21, вып.2, 101-115.

9. Ибрагимов М.Х. и др.,1969. Расчет вторичного течения в турбулентном потоке жидкости. Изв. АН СССР, сер. Мех. жидк. и газа,$ 4, 166-172.

10. Ибрагимов М.Х. и др. ,1978. Структура, турбулентного потока, и механизм теплообмена, в каналах. М. :Атомизда.т, 295 с.

11. Качурин Д.Г.1962. Электрические измерения аэрофизических величин. Л.: Изд-во Ленингр. Университета., 415 с.

12. Кожевников М.П. ,1949. О движении воды на. повороте русла. Изв. ВНИИГ им. Веденеева., т.40, 105-133.

13. Колесников А.Г.«Пантелеев Н.А.«Петров В.П.Пыркин Ю.Г.,1958 Аппаратура и методика, регистрации турбулентных микропульсаций температуры и скорости течения в море. Изв. АН СССР, сер, геофиз.,)" 3, 405-413.

14. Конт-Белло Ж.,1968. Турбулентное течение в канале с параллельными стенками. М.: Мир, 176 с.

15. Кочин Н.Е.,1963. Теоретическая гидромеханика. М.:Физматгиз, 583 с.- 168

16. Кремерс К.«Эккерт Е.«1962. Измерение с помощью термоанемометра характеристик турбулентного воздушного потока в канале треугольного поперечного сечения. Приклада, мех.,сер. Е,т. 29, 3-15.

17. Лелявский Н.С.,1893. О речных течениях и формировании речного русла. Труды.Второго съезда инж.~гидромехников,Сиб.,43.

18. Маккавеев В.Н.,1940. Режим естественных водных потоков.- В кн. Маккавеев В.М.,Коновалова И.М.,Гидравлика,Л.-М.: 565-636.

19. Масс Е.И.,1967. К вопросу определения допускаемых (неразмы-вающих^ скоростей и предельной глубины размыва в волновом потоке. Сообщ. АН ГССР, т.46, № I, 161-167.

20. Мельникова О.Н.,1981.Струйная модель турбулентного течения руслового потока. Вестн.Моск.Ун-та,сер.3,т.22,1£2, 84-86.

21. Мельникова О.Н.«Пыркин Ю.Г.,1982. Исследование струйной структуры русловых потоков по распределению средней скорости в поперечном сечении русел. Вестн.Моск. Ун-та, сер.3,т.23,1. Я 5, 97-99. .

22. Мельникова О.Н.«Петров В.П.«Пыркин Ю.Г.,1983. Методика экспериментального определения трех компонент вектора мгновенной скорости в естественном русловом потоке. Вестн.Моск. Ун-та, сер.З, т.24, }Ь 2, 76-78.

23. Мельникова О.Н.,1983.Экспериментальное исследование поперечной циркуляции жидкости в прибрежной области турбулентного- 169 руслового потока. Вести.Моск.Ун-та, сер.З, т.24, М, 82-84.

24. Мельникова О.Н.Пыркин Ю.Г.Дунджуа. Г.Г.,1983. К вопросу о поперечной циркуляции в прибрежной области руслового потока. Вестн.Моск. Ун-та, сер.З, т.24, $ 6, 8-12.

25. Мельникова О.Н.Дунджуа. Г.Г.,1984. Механизм образования прибрежной струи в прямом русловом потоке.Вестн.Моск.Ун-та,сер.З,т. 25, 153, 10-14.

26. Милович Д.Я.,1914. Нерабочий изгиб потока, жидкости. Бюлл. Политехи, р общества,, Гз 10, М.

27. Михайлова Н.А. Дарченко И.П. ,1976. Лабораторные и натурные исследования турбулентных русловых потоков в низкочастотной области спектра. Деп. ВИНИТИ, JI 1313-76.

28. Монин А.С.Яглом A.M.,1965. Статистическая гидромеханика.М.: Наука, 639 с.

29. Назарчук М.М.Л974.Обратный переход турбулентного течения в ламинарное. Киев: Наукова душа., 94 с.

30. Потапов М.В.,1936. Поперечная циркуляция в открытом потокеи ее гидротехническое применение. Сб.М.:ГИ техн. литер.,126.

31. Серрин Дж.Л963.Математические основы классической механики жидкости. М.: ИЛ, 256 с.

32. Фидман Б.А.,1953. Основные результаты экспериментального изучения структуры турбулентных потоков. В кн. Проблемы русло- 170 вых процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 138-160.

33. Фидман Б.А., 1948. Применение высокоскоростной киносъемки к исследованию поля скорости турбулентного потока. Изв. АН СССР сер. географ, и геофиз., т. 12, $ 2.

34. Хинце И.О.,1963. Турбулентность.М.: Физ.-мат. Изд-во, 680с.

35. Хунджуа Г.Г.Андреев Е.Г.Д974.Экспериментальное исследование теплообмена между морем и атмосферой при мелкомасштабном взаимодействии. Изв. АН СССР, ФАО, т.10, 1Ь 10, III0-III3.

36. Шапиро Х.Ш.,1960.Поперечная циркуляция как метод повышения взвешивающей способности потока в открытых руслах. Труды ВНИИГиМ, т.28, JH, 171-220.

37. Штернлихт Д.В.«Нам,К.С.,1975. Воздействие турбулентного потока повышенной интенсивности на подводные туннели. Гидро-техн. стр-во, $ 7, 18-21.

38. Шулейкин В.В. ,1968. Физика моря. М.: Наука., 946 с.

39. Эйнштейн А.,1956 . Причины образования извилин в руслах рек и так называемый закон Бэра. УФН,т.59,вып. 1,185-188.

40. Betrger S.А. 1905.Flow in curved pipes.Ann.Rev.Fluid Mech.15»461.

41. Boussinesq G.1868.Memoire surl' influense dee frottrments dans les mouvement reguliers des fluids. Jornal de matbematiques pures et appliques, 32.

42. Brundrett E.,Baines W.D.l964-.The production of тогticity in duct flow.J.Fluid Mechnr.19,375-392.

43. Eckert E.R.G.,Irrin T.F.1956.FI0W in corner of passages with noncircular cross section. Trans.ASME.v.78,4,709.

44. Einstein H.A.,Li H.1958.Secondary currents in straight channels Trans. Amer .Geoph.Union,T .39,6,1085 •

45. Fu T.S.,Joseph D.D.1970.Linear instability of assymetric flow in channels. Phys.Fluids, y.1 3,217*- iyl

46. Gessner F.B., Jones J.B.1965. to some aspects of folly develope turbulent flow in rectangular chennels. J.Fluid Mech.v.23,689-7

47. Hawthorne W.R.1951.Secondary circulation in fluid flow. Proe. of Royal Soc. A206, 37*-387

48. Minze I.O.1967. Secondary currents in wall turbulence.Phys. Fluids,v.10,9,122.

49. Hamsy G.1975. Instability of homogenous accelerated flow emploi to convection called by surface tension. J.Fluid Mech., v.68,191

50. Book R.L.1975. Distribution of sediment transport and shear str in a meander bend. J.Gceology,v.83f5,543-565.

51. Howarth L.1938. Concerning secondary flow in straight pipes, Proc. Cambridge Phil.Soc.34,p335-344.

52. Lamb НИ932.hydrodynamics,6th,ed.N.Y.Dover Publ.577-578.

53. Launder В. E.1969.Turbulent-laminar transfer. Trans.of the ASMS s.C,v.91,2.

54. Launder B.E.,Ying J.F.1972.J.Fluid Mech.54,289-295.

55. Mockmore С.А.1943. Flow arround bends in staible channels. Pro с ASCE,v.69,3.

56. Harris A.W.1963.The generation of secondary vorticity in an-compressible fluid .Trans.ASME, v.30,4,525.

57. Maslen S.H.1958. Transverse velocities in fully-developed flows. Qoar t. App 1. Mat h. 16,12.

58. McMillan F.A.1957.Arc.Tech.Rep. and Mem.3028.

59. Nikuradze 1.193О .Untersuchungen uber turbulente stromung in nichfcreisformingen Rohren.Ingr.-Arch.Bd 1,S»306.

60. Perkins H.J. 1970.The formation of streamwise rorticity in turbulent flow. J.Fluid Mech.v.44,p .4,721-740.

61. PJrandtl L.1926. Uber die ansgebildet Turbulenz. Pros, of Second Intern.Congr. for Appl.Mech.Zurich,62.- 1y с

62. Prandtl L. 1952.Essentials of Fluid Dynamics. LondoniBlackie, 452.

63. Rodet £.1958.Etude de l'eeulement d'un fluide dans un tunnel prismatique de section trapezoidale.Doct.Theseis.Grenoble.178.

64. Seal W.S.1982. Turbulent generation of second current in the cbennal with noncircular cross-cection. J.Mecb.Sag.Sci.v.24,3, 119-127.

65. Stetson H.C., Smite J.E.19J8. Suspension currents and mad slides ■Amer .J.Sci.,32.