Диффузия и спектры размеров частиц взвеси в суспензионном течении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.23, кандидат физико-математических наук Силаева, Лада Вадимовна

• Силаева, Лада Вадимовна
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Силаева, Лада Вадимовна

Содержание

Содержание

Введение

Глава I Обзор результатов исследований турбулентной диффузии и

спектров размеров и взвешенных частиц

§ 1. Типы гранулометрических спектров взвеси и метода их описания. 6 § 2. Вертикальное распределение коэффициента турбулентной

диффузии

Глава II Характеристика объекта, методов и результатов исследований диффузии взвеси в плотностном потоке

§ 1. Объект исследований

§ 2. Аппаратура и методика

Глава Ш Распределение коэффициента турбулентной диффузии

§ 1. Особенности профиля коэффшщента диффузии взвеси.

Диффузионный триплет

§ 2. Сдвиговая и проникающая составляющие коэффициента диффузии

и их связи с осредненными параметрами течения

§ 3. Профиль числа Шмидта

§ 4. Распределение концентрации взвеси в суспензионном ечении

§ 5. Основные результаты

Глава IV Спектры размеров частиц взвеси в плотностных течениях

§ 1. Описание экспериментальных данных

§ 2. Анализ спектров размеров взвеси,

§ 3. Аналитическое описание спектров размеров частиц взвеси с учетом влияния нестационарности и адвективных изменений

концентрации

§ 4. Методика аппроксимации спектров размеров взвеси

§ 5. Связи параметров распределения частиц взвеси по размерам с

осредненными характеристиками течения

Глава У Нестационарность гранулометрических спектров взвеси

§ 1. Структура поля возмущений концентрации

взвешенных частиц

§ 2. Волновые преобразования спектров размеров частиц

Глава VI Структурная диагностика плотностного течения по

распределениям частиц

§ 1. Восстановление профилей средней скорости

§ 2. Связь спектров размеров частиц с турбулентными

характеристиками течения

Основные результаты и выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диффузия и спектры размеров частиц взвеси в суспензионном течении»

Введение

Суспензионные потоки - широко распространенный вид придонных стратифицированных по плотности течений. Скорость распространения этих потоков вдоль наклонного дна под слоями вод меньшей плотности определяется повышенной концентрацией взвеси в придонной области.

Придонные стратифицированные течения относятся к числу основных форм движения водных масс в глубинных слоях озер, морей и водохранилищ Для этих течений характерно неоднородное устойчивое распределение плотности жидкости р по высоте 2. Рост плотности с глубиной обеспечивается термической, соленостной и суспензионной стратификациями.

Значительная часть материала суши, продуктов речного и промышленного стоков переносится придонными потоками из зон их формирования в глубоководные районы. В зависимости от скоростей плотностных течений возможны не только перенос взвеси, но донная эрозия с образованием подводных каньонов, а также разрушению подводных линий связи и других коммуникаций суспензионными потоками.

В связи с этим встает важнейшая научная и прикладная задача изучения придонных плотностных потоков, разработки методов их контроля, расчета и прогноза воздействия этих течений на рельеф дна, физико-химические свойства и структуру гидродинамических полей.

Взвешенные частицы разной крупности в стратифицированных течениях представляют собой набор естественных трассеров, изменения концентрации которых могут не только отражать, но и вызывать преобразования амплитудно-частотных характеристик турбулентности. Выявление закономерностей взаимодействия твердой примеси с турбулентным потоком позволяет применить профильные измерения концентрации и спектров размеров взвеси для исследования структуры течения. Выявление связей распределения частиц по размерам с

параметрами поля скорости дает возможность диагностики структуры потока по результатам гранулометрического анализа.

Поиск методов такой диагностики ведется в данной работе. Предлагаются новые способы аналитического описания спектров размеров взвешенных частиц и распределений коэффициента диффузии взвеси, учитывается влияние вихреволновой нестационарности.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Силаева, Лада Вадимовна

Основные результаты и выводы

1. Выявлено и представлено аналитически распределение профиля коэффициента турбулентной диффузии взвеси - диффузионный триплет, полученное с учетом процессов турбулентного обмена в сдвиговых слоях и ядре суспензионного течения. Обнаруженная структура распределения коэффициента диффузии обусловлена следующими факторами:

- влиянием сдвиговой турбулентности на границах потока, там, где коэффициент диффузии пропорционален градиенту скорости;

- переносом взвеси вихреобразованиями, проникающими через область с нулевым градиентом скорости в ядре потока, где сдвиговые составляющие равны нулю.

2. Впервые получен профиль числа Шмидта. Установлено, что активность твердой примеси увеличивается с высотой над уровнем дна при переходе из придонного пограничного слоя в слой смешения плотностного течения. Разработана и проверена методика расчета вертикального распределения профиля числа Шмидта.

3. Предлагаемый полуэмпирический метод описания профиля коэффициента турбулентной диффузии в придонном плотностном потоке позволяет рассчитывать распределения концентрации взвеси с различными знаками локальной кривизны и ступенчатые.

4. С применением теоретических эпюр5(г) расшифрована структура поля возмущений концентрации. В придонном стратифицированном течении обнаружены колеблющиеся с амплитудой до 10м нефелоидные слои с повышенной концентрацией взвеси. Динамика этого процесса определяется развитием внутренней волны в плотностном потоке.

5. Установлено, что периодическая ежена одно-модального спектра размеров частиц взвеси в плотностном потоке распределением с дополнительным максимумом в правой части спектра обусловлена воздействием внутренней волны на течение. Выявлена возрастающая по закону зависимость содержания частиц крупнейших фракций от вертикальной компоненты скорости волны.

6. Получена и проверена функция распределения частиц по размерам, отражающая влияние гравитационного оседания, турбулентной диффузии и внутренней волны на перенос взвеси в придонном плотностном потоке.

7. Разработан метод восстановления формы профиля скорости плотностного потока по эпюре концентрации взвеси. Методика проверена путем сравнения расчетных данных и данных прямых измерений в океане, водохранилищах и лабораторном лотке. Выявлены и проверены возможности диагностики структуры турбулентного плотностного потока с внутренней волной по спектрам размеров частиц.

В заключений хочу выразить глубокую благодарность и признательность научному руководителю, доктору физико -математических наук Борису Исаевичу Самолюбову за интересную постановку задачи, постоянное внимание, за помощь и руководство моей работой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Силаева, Лада Вадимовна, 1998 год

Литература

1. Анисимова Е.П., Поборчая Л.В., Сперанская A.A. О профиле скорости в пограничном слое турбулентного стратифицированного потока // Изв. АН СССР. Сер. Физ. Атмосф. и Океана. 1978. т. XIV. С. 1110-1114.

2. Баренблатт Г.И., Галёркина Н.Л., Лебедев И.А. Математическая модель нижнего квазиоднородного слоя океана - влияние термохалинной стратификации, уклона дна и приливных колебаний // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 1993. т.29. №4. С.537-542.

3. Великанов М.А. Динамика русловых потоков // М. Гостехиздат. 1955. Т.2

4. Иванов А. Введение в океанографию // М. Мир. 1978. 574с.

5. Идье В., Драйард Д. Статистические методы в экспериментальной физике. //М. Атомиздат. 1976. 335 с.

6. Кузнецов A.A. Экспериментальные исследования турбулентных характеристик придонных плотноетных потоков. Дисс. канд.физ.-мат. наук. М.МГУ. Физ. ф-т. 1979. 170 с.

7. Левин Л.М. Исследования по физике грубо дисперсных аэрозолей. // М. Изд-во АН СССР. 1961. 267 с.

8. Метеорология и атомная энергия, под ред. Федорова Е.К. 7/ М. Иностранная литература. 1964.

9. Михайлова H.A. Перенос твёрдых частиц турбулентными потоками воды.//Л.:Гидрометиздат. 1966. С. 173-208.

10. Монин A.C. Теоретические основы геофизической гидродинамики. // Л.:Гидрометиздат. 1988. 424 с.

11. ПрандтльЛ. Гидроаэромеханика.//М. Изд. Ин. лит. 1951. 575 с.

12. Поборчая Л.В., Чижов В.П. Наблюдение суспензионного потока в Рижском заливе. // Вестник МГУ. Сер.З. 1972. №4. С.395-399.

13. Пыркин Ю.Г., Самолюбов Б.И. Аппаратура для измерений скорости течения, температуры воды и концентрации взвеси в водохранилище // Гидротехническое Строительство. 1988. №4. с.48-51

14. Пыркин Ю.Г., Самолюбов Б.И. Методика исследования спектров крупности взвеси на автоматическом анализаторе изображений. // Учёные МГУ науке и производству. М.: МГУ. 1989. С. 26-27.

15. Пыркин Ю.Г„ Самолюбов Б.И., Дебольская Е.И. Зарождение придонного течения в естественном водоёме при разных типах плотностной стратификации. // Водные ресурсы. 1980. №4. С. 144-155.

16. Пыркин Ю.Г., Самолюбов Б.И., Кузнецов A.A. О турбулентной структуре естественного плотностного потока в области его формирования. //Метеорол. и Гидрология. 1982. №4. С.66-74.

17. Рыкунов Л. Н., Самолюбов Б. П., Силаева JI.B. Преобразование спектров размеров взвешенных частиц в придонном плотностном потоке. // Доклады Академии Наук. 1999. т. 362. №4. С. 1-5.

18. Самолюбов Б.И. Взаимодействие сдвиговых слоев и инверсионных структур придонного стратифицированного течения. // Океанология. 1986. т.26. №6. С.920-930.

19. Самолюбов Б.И. Турбулентная диффузия в локальных сдвиговых слоях придонного стратифицированного течения с взвешенными частицами. // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосф. и океана. 1986. т.22 №5. С.513-524.

20. Самолюбов Б.И. Взаимодействие полидисперсной взвеси с турбулентным течением в слое смешения. // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосф. и океана. 1988. т.24. №12. С1328-1330.

21. Самолюбов Б.И. Диффузия полидисперсной взвеси, энерго- и теплообмен под влиянием вихреволновых структур в течении. // Сб. Гидрофизические процессы в реках, водохранилищах и окраинных морях. М.: Наука. 1989. С. 180-197

22. Самолюбов Б.И. Адвективные изменения концентрации взвеси в суспензионном течении с термической стратификацией. // Метеорол. и гидрология. 1990. №3. С.79-87.

23. Самолюбов Б.И. Профиль масштаба турбулентности в слое смешения течения, распространяющегося вдоль твердой поверхности. У/ Вестн. МГУ. Сер.З. Физика и астроном.1991. т.32. №4. С.80-86.

24. Самолюбов Б.И. Натурные и теоретические исследования турбулентной структуры полей скорости и плотности в слое смешения гравитационного течения. //Водн. ресурсы. 1991. №5. С.37-54.

25. Самолюбов Б.И. Структура стратифицированного течения, взаимодействующего с дном. 7/ Международная конф. "Геофизика и современный мир". Тез. докл. М.МГУ. 1993. С.172-Т73.

26. Самолюбов Б.И. Методы и результаты структурной диагностики и математического моделирования придонных течений. -В кн. Взаимодействие в системе Литосфера - гидросфера - атмосфера. // М. Недра. 1995. 350 с.

27. Самолюбов Б.И. Динамика и структура придонного плотностного течения // дис. Док. Физ.-мат. наук: 04.00.23. М. МГУ. 1996. 498с.

28. Самолюбов Б.И., Быстрова H.A. Структура плотностного течения и внутренних волн в его толще. // Вестник МГУ. Сер. Физика и астроном. т.35. №1. 1994. С.79-87.

29. Самолюбов Б.И., Галкин C.B., Зеленов A.A. Флуктуации распределений скорости при влиянии взвешенных частиц на турбулентность в придонном течении. 7/ Изв. АН СССР Сер. Физика атмосф. и океана. 1983. т. 19. №11. С. 1188-1196.

30. Самолюбов Б.И., Галкин C.B., Зеленов A.A., Силаев М.А. Структура нестационарного придонного взвесенесущего течения. /У Водн. ресурсы. 1986. №2. С.77-85.

31. Самолюбов Б.И., Кременецкий.В.В. О вихревошювой структуре плотностного потока. // Вестник Московского Университета, Физика ж астрономия. 1996. № 6. с. 106-109.

32. Самолюбов Б.И., Пыркин А. Ю. Воздействие крутшомасштабной турбулентности на структуру пограничного слоя плотностного течения. // Вестник Московского Университета, Физика и астрономия. 1982. т.23. № 6. с.32-38.

33. Самолюбов Б.Й., Силаева Л.В. Диффузионный триплет в суспензионном течении // Вестник Московского Университета, Физика и Астрономия. 1995. т.36. № 5. с.63-67

34. Самолюбов Б.И., СилаеваЛ.В. Восстановление профиля скорости суспензионного течения по распределению концентрации взвеси. //Вестник Московского Университета, Физика и Астрономия. № 2. 1998

35. Самолюбов Б.И., СилаеваЛ.В. // Диффузия и спектры размеров частиц взвеси в суспензионном течении. Физика Атмосферы и Океана. № 2. 1998. с.274-282.

36. Самолюбов Б.И., Слуев М.В., Кременецкий.В.В., Толкачева O.A. Эволюция поля скорости и распределения коэффициента диффузии в плотностном потоке. // В кн. "Динамика интрузионных течений". Изд. КГТУ. 1997. С. 39-48.

37. Самолюбов Б.И., Слуев М.В. О структуре придонного стратифицированного течения. // Метеорол. и гидрология. 1996. №1. С.91-100.

38. Самолюбов Б.И., Толкачева O.A. Распределение коэффициента турбулентной диффузии взвеси по толщине и длине суспензионного течения. // 4-я конф. "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и морей". РАН. ИВП. М.1994. т.2. С.321-323.

39. Самолюбов Б.И., Тронова Л.В. Гранулометрический состав взвеси и её диффузия в суспензионном течении с внутренней волной. // 4-я конф. "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и морей". РАН. ИВП. М.1994. т.2. С.324-326.

40. Скорер Р. Волны в стратифицированной жидкости. -В кн. Аэрогидродинамика окружающей среды. // М.:Мир. 1980. Гл.5. С.174-249.

41. Хинце И.О. Турбулентность ее механизм и теория У/ М. Физматгиз. 1963. 368с.

42. Backer Е.Т., Lavelle J.W. The effect of particle size on the light attenuation coefficient of natural suspensions. // J. Geophys. Res. 1984. C89. P. 81978203

43. Chanut J.P., Poulet S.A. Short-term variability of the size spectra particles in a rapidly changing environment. // Estuarine, coastal and shelf science. 1982. № 15. p.497-513

44. Chikita K.A. Sedimentation by turbidity currents // J. Of the Faculty of Science. Hokkaido Univ. 1980. v.6. №2. p.255-300.

45. Chikita K.A. Okumura Yo. Dynamics of river-induced turbidity currents from field measurements // Geoph. Bull, of Hokkaido Univ. 1987. №49. p.291-300.

46. Chikita K.A. A field study of turbidity currents initiated from spring runoffs //Water Resources Res. 1989. v.25. №2. p. 257-271.

47. Chikita K.A.. Dynamic sedimentation process of river-induced turbidity currents: application of an advective diffusion model // Inter. Hydrology and Water Resources Symposium Perth 2-4.1991. p.268-273.

48. Chikita K.A., Yonimitsu N., Yoshida M. Dynamic sedimentation process in a glacier-fed lake, Peyto-lake, Alberta, Canada // Jpn. J. Limnol. 1991. v.52. №1. p.27 - 43.

49. Delvigne Gerald A.L. Model for Diffusion in Stratified Flows // J. Hydraul. Eng. 1986. v.112. № 11. p. 1069-1086.

50. Dengler A.T., Noda E.K., Wilde P. Slumping and related- turbidity currents along proposed OTEC cold-water-pipe route resulting from hurricane // 16-th Annual Offshore Techn. Conf. 1984. p.475-480.

51. Eidsvic K, Brors B. // Contin. Shelf. Res. 1989. 9. № 7. P. 617.

52. Eisma D., Kalf J. Dispersal of Zaire River suspended matter in the estuary and Angola Basin. // Neth. J. of See Res. 1984. v.17. № 2-4. p.385-411.

53. Itakura T., Kishi T. Open channel flow with suspended sediments // Hydr. Div. Poc. Amer. Soc. Civ. Eng. 1980. v. 106. № 8. p. 1325-1343.

54. Kajihara M., Morinaga T., Sekine A. Distribution and upward fluxes of particulate matter near bottom in the southeastern Bering sea shelf// J. of the Ocean. Soc. of Japan. 1986.v.42.p.3 89- 401.

55. Kranck K., Milligan T.G. Origin of grain size spectra of suspension deposited sediment // Geo-Marine Letters. 1985. v.5. №1. p. 61-66.

56. LaunderB.E., SpaldingD.B. //Academic. Orlando. FLA. 1972.p. 169.

57. Lynch J.F., Gross T.F., Bramley B.H., Filyo R.A. Academic Sediment concentration profiling in HEBBLE using 1-MHz acoustic backscatter system // Mar. Geol. 1991. v.99. № 3-4. p. 361-385.

58. Morel T, Torda T.P. // AIAA J. 1974. v. 12. p.533-540.

59. McCave I.N. Particulate size spectra, behaviour and origin of nepheloid layer over the Nova Scotia Continental rise // J. of Geoph. Res. 1983.v.88.№ Cll p.7647-7666.

60. McLean S.R. Theoretical modelling of deep ocean sediment transport // Marine Geology. 1985. v.66. p.243-265.

61. McLean S.R. Velocity and stress in the Deep-Ocean boundary layer //J. of Phys. Ocean. 1987.v.17. №9. p. 1356-1365.

62. Parker G., Fukuschima Y. Selfaccelerating turbidity currents // J. Fluid Mech. 1986. V.71.p.l45-181.

63. Newman B. Measuring Particles automatically. // J. Sea Techno! 1987. V. 28, №2. P. 26-27.

64. Samolyubov B.I., Silaeva L.V. The turbulent structure of density currents and its diagnostic on suspended particle size spectra // International session «Boundary effects in stratified and/or rotating fluids.» St. Petersburg. June 68. 1995. p. 140

65. Simpson W.R. Particulate matter in the oceans - sampling methods, concentration, size distribution and particle dynamics // Ocean. Mar. Biol. Amn. Rev. 1982.v.20. p. 119-172.

66. Stacey M.W., Bowen A.J. The vertical structure of density and turbidity currents: theory and observation. It J. of Geophys. Res. 1988. v.93. № C4. p.3528-3542.

67. Trowbridge J.H., Kineke G.C. Structure and dynamics of fluid mud's on the Amazon continental shelf// J. Of Geoph. Res. 1994. v. 99. № CI. p. 865 -874.

68. Van der Hegge. Measurments of the distribution of heat and matter in turbulent jet // J. Appl. Sci. Res. 1957. V.7. Ser. A. p. 277-291.