Эффекты ускорения тел в средах с конечной скоростью распространения возмущений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Бобков, Сергей Алексеевич

• Бобков, Сергей Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бобков, Сергей Алексеевич

Глава 1. Анализ данных о воздействии волн скорости в атмосфере и береговой зоне моря

1.1 Нестационарные динамические эффекты в атмосферных процессах

1.1.1 Турбулентность атмосферы. Общее описание

1.1.2 Микропорывы

1.1.3 Имеющиеся данные о динамическом воздействии порывов ветра

Расчет ветровых нагрузок в турбулентном потоке

1.2 Динамическое воздействие при ударах волн в береговой зоне мора

1.2.1 Высота выплесков при ударах волн

1.2.2 Импульс давления при ударах волн

1.2.3 Эффекты сжимаемости в задачах удара жидкости

13 Методы исследований нестационарных процессов.

1.3.1 Визуализация векторного поля скоростей и регистрация параметров потока в жидкости и газе - Particle Image Velocimetry

Принцип PIV

Глава 2. Динамические характеристики порывов ветра

2.1 Теоретические оценки давления при набегании фронта скорости

2.2 Натурные измерения параметров ветровых порывов

2.2.1 Описание измерительной системы

2.2.2 Измерения параметров порывов в штормовом ветре

2.2.3 Алгоритм обработки данных

2.2.4 Результаты измерений

23 Моделирование порыва ветра в лабораторных условиях

2.3.1 Лабораторная установка

2.3.2 Измерения динамического давления в порыве

2.3.3 Визуализация потока.

2.3.4 Моделирование порыва ветра в лабораторных условиях

2.4 Численное моделирование воздействия воздушного порыва

2.4.1 Начальные и граничные условия.

2.4.2 Результаты численного моделирования

Результаты для расчета №

Расчет №6. Увеличенный масштаб.

2.5 Выводы

Глава 3. Динамика жидкости со свободной поверхностью при нестационарном взаимодействии с твердой стенкой.

3.1 Натурные измерения параметров обрушающихся волн

3.1.1 Натурные наблюдения выплесков при ударах волн

3.2 Модельный лабораторный эксперимент

3.2.1 Динамика жидкости при образовании выплеска

3.2.2 Роль ускорения в формировании выплеска

3.2.3 Поле скоростей внутри выплеска - метод PIV

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты ускорения тел в средах с конечной скоростью распространения возмущений»

Взаимодействие фронтов волн скорости с препятствиями проявляется повсеместно в окружающей среде и неизбежно сопровождается динамическими нагрузками. Среди природных явлений, в этой связи, можно отметить прохождение атмосферных фронтов, вихревые порывы штормового ветра, удары морских волн в береговой зоне, катабатические ветры в полярных регионах, гравитационные потоки в атмосфере и океане. Вихревые порывы также могут быть связаны с движением скоростного транспорта. Амплитуды волн давления, определяющие величины динамических нагрузок, в этих явлениях могут покрывать диапазон от порога слышимости вплоть до ударного значения, определяемого гидравлическим пределом давления.

Целью настоящей работы является исследование процессов формирования волн давления при ускорении тела ограниченных размеров в среде с конечной скоростью распространения возмущений и определение поправок к приближению идеальной несжимаемой жидкости. Скорость звука в среде важна как фактор, определяющий характерное время формирования присоединенной массы.

Главная задача исследования состоит в детальном рассмотрении некоторых природных явлений, где проявляются нестационарные эффекты - порыв ветра и удар волны в береговой зоне моря - физическом и численном моделировании этих процессов и обобщении для построения математической модели. С точки зрения гидромеханики эти процессы эквивалентны соответственно ускорению потока газа при обтекании твердого тела и нестационарному взаимодействию жидкости со свободной поверхностью с твердой стенкой.

Для определения исходных данных проводятся натурные измерения характеристик порывов ветра во время шторма. С этой целью в рамках работы разрабатывается регистрирующая аппаратура, в основе которой лежит высокочастотное (до 1 кГц) измерение динамического давления . Для обрушающихся волн в береговой зоне моря проводятся измерение скоростей в различных точках фронта волны на основе анализа видеоизображений.

Данные натурных измерений используются для моделирования изучаемых процессов в лаборатории. Порывы ветра моделируются на специально созданном вихревом генераторе. Обрушение волн и образование выплесков при ударах волн моделируется в волновом лотке, оснащенным комплексом регистрирующей аппаратуры.

Исследование процессов нестационарного нагружения объектов является актуальной задачей, из-за растущих темпов развития строительства, в том числе в зонах подверженных опасным природным воздействиям. Действующие в настоящее время строительные нормы и правила (СНиП «Нагрузки и воздействия») не учитывают роли нестационарности, в частности для оценки ветровых нагрузок.

Объектом исследования является нестационарная (зависящая от ускорения) составляющая динамической нагрузки при ускорении тела в среде с конечной скоростью звука.

Научная новизна полученных результатов при решении задачи заключается в следующем:

Впервые рассмотрено формирование нестационарной нагрузки с учетом скорости распространения возмущений в среде в процессах с существенно дозвуковыми скоростями.

Впервые описано явление формирования Г-образного гидродинамического выплеска при ударах обрушающихся волн в береговой зоне моря.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования результатов исследования при описании процессов нестационарного нагружения в задачах связанных с воздействием фронтов скорости.

Достоверность полученных результатов, а также обоснованность научных положений вытекают из того, что проведенные исследования не противоречат выводам работ других авторов, являясь их продолжением и развитием. Установленные физические закономерности согласуются с результатами лабораторного моделирования и некоторыми натурными данными.

Апробацию работа прошла во время докладов на многих представительных конференциях, в том числе и международных. По материалам, изложенным в диссертации, опубликована 21 печатная работа, включая статьи в научных журналах и публикации в материалах конференций. Основные результаты опубликованы в журнале «Physics of wave phenomena»

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Во введении изложены предмет изучаемого явления, основные цели и задачи исследования. Глава 1 посвящена обзору имеющихся данных о формировании и распространении фронтов скорости в океане и атмосфере. Также рассмотрены результаты работ, посвященных динамическому воздействию волновых фронтов.

Кроме того, в главе 1 рассмотрены существующие современные 6 методы исследований газо- и гидродинамических процессов, которыми пользовался автор. Глава 2 содержит результаты исследований, посвященных динамическому воздействию порывов ветра. Приведены данные натурных измерений, экспериментального и численного моделирования, выполненных автором. В главе 3 представлены результаты исследований выплесков при ударах волн в береговой зоне моря. Глава 4 является обобщающей и подводящей итог. Глава посвящена выявлению общих закономерностей формирования волн давления в средах с конечной скоростью распространения возмущений, и построению безразмерных зависимостей на основе моделирования с использованием газо-гидравлической аналогии для определения поправок к модели идеальной несжимаемой жидкости. В заключении представлены все основные результаты проведенного исследования.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Бобков, Сергей Алексеевич

4.5 Выводы и обсуждение результатов

Численное моделирование удалось произвести при малых Ф значениях параметра К, которые составляли не более 0,1. При этом можно отметить хорошую сходимость эксперимента и расчета. При попытке увеличения параметра К наблюдается заметное увеличение времени расчета. Это связано с адаптивным шагом по времени, который используется при расчетах нестационарных течений. По мере ускорения поршня шаг уменьшается. Другая сложность связана с движением поршня в области расчета, так как расчетная сетка является неподвижной. К примеру, расчет движения для К=0.1 занимает 3 дня на высокопроизводительной машине. Тем не менее, такую Ф задачу можно решать методами численного моделирования.

Заключение.

В результате проведения исследования получены данные по качественным и количественным характеристикам процесса формирования волн давления в среде с конечной скоростью распространения возмущений.

Проведены натурные измерения динамических характеристик порывов ветра, в результате которых получены данные о крутизне фронта скорости в порыве. Согласно измерениям, ускорения во фронте порыва могут достигать значений около 50 м/с2. На основе данных натурных измерений были выполнены теоретические оценки и построено лабораторное моделирования ветровых порывов. В результате получены данные о величине динамической нагрузки с учетом ускорения потока. Показано, что учет ускорения дает значительные поправки к нагрузкам. Лабораторные эксперименты позволили воспроизвести основные динамические характеристики вихревого порыва в лабораторных условиях и провести измерения динамического воздействия на объекты.

Изучен процесс образования Г-образного выплеска на свободной поверхности на основе данных натурных наблюдений, теоретических оценок и лабораторного моделирования. Продемонстрирована необходимость учета ускорения при описании динамических характеристик выплесков.

Процессы воздействия фронтов скорости с объектами обобщены на основе рассмотрения безразмерной характеристики взаимодействия, учитывающего скорость распространения возмущений в среде, размер препятствия и ускорение потока. С этой целью выполнены теоретические оценки и моделирования на основе газо-гидравлической аналогии. Физическое

108 моделирование позволило выявить эффекты, связанные с ускорением «присоединенной массы». Получены количественные поправки к приближению идеальной жидкости, которые могут быть использованы на практике, а разработанные подходы к моделированию можно использовать для дальнейших исследований в этой области. Проведено численное моделирование исследуемых процессов, результаты которого согласуются с экспериментом. Определенные трудности возникают при попытке получить величины давления при больших значениях параметра К, как в эксперименте так и в численном расчете. В случае экспериментального моделирования это обстоятельство связано с ограничениями, накладываемыми на применение газо-гидравлической аналогии. В случае численного моделирования трудности возникают из-за существенного увеличения времени расчета, которое может достигать нескольких недель на высокопроизводительных машинах. Дальнейшие исследования в этой области могут быть связаны с поиском подходов к решению вышеперечисленных трудностей.

1. D.H. Peregrine Water wave impacts on walls. Annual Reviews of Fluid Mechanics, Jan 2003, Vol 35, pp 23-43.

2. R.D. Marshall, M. Asce "Gust speeds in hurricanes", American Society of Civil Engineers, Structures Congress XII, Vol 2,1994, pp. 1457-1462

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Теоретическая физика. Т.VI, с 42-43. Москва. Наука. 1986г

4. Н.Е. Кочин, И.А. Кибель, Н.В. Розе «Теоретическая гидромеханика» Часть I

5. F. Boettcher, Ch. Renner, Н.-Р. Waldl and J. Peinke "On the statistics of wind gusts", Boundary Layer Meteorology, 108, 2003, pp 163-173.

6. M. А. Лаврентьев, Б. В. Шабат / Методы теории функций комплексного переменного, 1973, стр. 270-272.

7. Н. К. Винниченко, Н. 3. Пинус, С. М. Шметер, Г. Н. Шур Турбулентность в свободной атмосфере. Гидрометеоиздат, Ленинград 1976.

8. Г.И. Баренблатт Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. Гидрометеоиздат, Ленинград 1978.

9. А. X. Хргиан. Физика атмосферы. Том 2. Гидрометеоиздат, Ленинград 1978.

10. Л. Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. Государственное издательство физико-математической литературы. 1959.

11. Ф. Дж. Сэффмэн. Динамика вихрей. М., Научный мир, 2000 г.

12. John Е. Simpson. Gravity currents in the environment and the laboratory. Cambridge University Press, 1997.

13. Т. Е. Faber. Fluid Dynamics for Physicists. Cambridge University Press, 1995.

14. Г. E. Векштейн. Физика сплошных сред в задачах. Москва, Институт компьютерных исследований, 2002.

15. Л. Прандтль, Гидроаэромеханика, Ижевск, 2000.

16. Глухов О.П., Сахаров М.Н., Ткаченко Б.К. Бифуркация обрушающихся волн на мелкой воде. // Сб. "Прикладные задачи аэромеханики и геокосмической физики". Москва. Изд. МФТИ, 1991.

17. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. Гл.5 Гиперболические системы // М.Мир 1977. с.622.

18. Сретенский Л. Н. Теория волновых движений ЖИДКОСТИ.//2-ИЗД. М.-Л.: Наука 1976

19. Латтхилл Дж. Волны в жидкостях.//М.: Мир 1981.

20. Стокер Дж. Волны на воде// М.: ИЛ, 1959

21. К. Sheriff, A. Leonard, Vortex Rings, Ann. Rev. Fluid Mech., 1992,24.

22. Леонтьев И. О. Динамика прибойной зоны. М.:ИО АН СССР. С 184.1989

23. Puleo, J, COMPARISON OF REMOTE SENSING AND IN SITU MEASUREMENTS OF NEARSHORE FLOWS, Материалы конференции AGU, December 10-14,2001

24. В. В. Шулейкин, Физика моря, Издательство АН СССР, 1953.

25. Валлендер С. В., Лекции по гидроаэромеханике, Издательство Ленинградского университета, Ленинград, 1978.

26. J. Simpson, Gravity currents in the environment and the laboratory, Cambridge University Press, Second Edition.

27. A. A. Korobkin, D. Н. Peregrine, The energy distribution resulting from an impact on a floating body", Jornal of Fluid Mechanics (2000), vol. 417, pp. 157-181, Cambridge University Press 2000.

28. A. Lafrati, A. Korobkin, Initial stage of flat plate impact onto liquid free surface", Physics of Fluids, vol. 16, number 7,2004.

29. A. Korobkin, "Shallow water impact problems", Journal of Engeneering Mathematics, 35, pp. 233-250,1999.

30. Э. Симиу, P. Сканлан, «Воздействие ветра на здания и сооружения», Москва, Стройиздат, 1984.

31. Хинце И. Турбулентность, её механизм и теория. М., Физматгиз, 1963,680 с.

32. S. Gaudet (1998) Numerical simulation of circular disks entering the free surface of a fluid, Phys. Fluids 10,2489-2499.

33. A. lafrati, A. Carcaterra, E. Ciappi and E.F. Campana (2000) Hydroelastic analysis of a simple oscillator impacting the free surface, J. Ship Res., 44,278-289.

34. Cointe, R. 1989 Two-dimensional water-solid impact. J. Offshore Mech. & Arctic Engng. 111,109-114.

35. Cointe, R. & Armand, J.-L. 1987 Hydrodynamic impact analysis of a cylinder. J. Offshore Mech. & Arctic Engng.109, 237-243.

36. D. Battistin and A. lafrati (2003) Hydrodynamic loads during water entry of two-dimensional and axisymmetric bodies, J. Fluids Struct., 17,643-664.

37. A.A. Korobkin and A. lafrati (2005) Hydrodynamic loads during initial stage of floating body impact, J. Fluids Struct.,21, 413-427.

38. A. lafrati, А.А. Korobkin (2004) Initial stage of flat plate impact onto liquid free surface, Phys. Fluids, 16,2214-2227.

39. A.A. Korobkin (2005) Second-order Wagner theory of wave impact, J. Engng Math.

40. Lesser, M. B. & Field, J. E. 1983 The impact of compressible liquids. Ann. Rev. Fluid Mech. 15, 97-122.

41. Lewison, G. R. G. 1970 On the reduction of slamming pressures Trans. RINA112,285-306.

42. H. Bredmose, M. Brocchini, D. Peregrine and L. Thais "Experimental investigation and numerical modeling of sleep water waves", Journal of Fluid Mechanics, 4 vol., 2002.

43. Simon J. Cox), Mark J. Cooker, "The pressure impulse in a fluid saturated crack in a sea wall, Coastal Engineering 42 2001 241-256

44. V. I. Bukreev and A. V. Gusev, "SUDDEN BLOCKING OF A SUPERCRITICAL OPEN-CHANNEL FLOW", Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, Vol. 45, No. 4, pp. 505-509, 2004

45. Weidong Peng & D. H. Peregrine "PRESSURE-IMPULSE THEORY FOR PLATE IMPACT ON WATER SURFACE", Abstract for 15th International Workshop on Water Waves and Floating bodies, Caesarea, Feb-March 2000

46. ГОСТ P 22.0.06 - 95. «Источники природных чрезвычайных ситуаций. Поражающие факторы».

47.Шадрин И.Ф. Особенности гидродинамических процессов в прибрежной зоне моря. Исследования по динамике вод и гидрохимии Черного моря. 4.1. М.: 1978, с.85-156

48.Т. Burton, D. Sharpe, N. Jenkins, Е. Bossanyi: Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons (2001).

49.Davenport, A.G., 'The application of statistical concepts to wind loading of structures', Proc. Instn. Civ.Engrs. 19 (1961) 449-472.

50.Davenport, A.G., 'Gust loading factors', J. Struct. Div., ASCE 97(6) (1967) 11-34.

51.Cooker, M. J. & Peregrine, D.H. 1995 Pressure-impulse theory for liquid impact problems. J. Fluid Mech. 297,193-214.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бобков, Сергей Алексеевич, 2006 год

1. D.H. Peregrine Water wave impacts on wails. Annuai Reviews ofFiuid Mechanics, Jan 2003, Voi 35, pp 23-43.

2. R.D. Marshaii, M. Asce "Gust speeds in iiurricanes", American Society of Civii Engineers, Stmctures Congress Xli, Vol 2,1994,pp. 1457-1462

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Теоретическая физика. Т.Vi, с 42-43. Москва. Наука. 1986г

4. Н.Е. Кочин, И.А. Кибель, Н.В. Розе «Теоретическая гидромеханика» Часть I

5. F. Boettcher, Ch. Renner, Н.-Р. Waidi and J. Peinke "On the statistics of wind gusts". Boundary Layer Meteorology, 108,2003, pp 163-173.

6. M. A. Лаврентьев, Б. В. Шабат / Методы теории функций комплексного переменного, 1973, стр. 270-272.

7. Н. К. Винниченко, Н. 3. Пинус, М. Шметер, Г. Н. Шур Турбулентность в свободной атмосфере. Гидрометеоиздат,Ленинград 1976.

8. Г.И. Баренблатт Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. Гидрометеоиздат, Ленинград 1978.

9. А. X. Хргиан. Физика атмосферы. Том 2. Гидрометеоиздат, Ленинград 1978.

10. Л. Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. Государственное издательство физико-математическойлитературы. 1959.

11. Ф. Дж. Сэффмэн. Динамика вихрей. М., Научный мир, 2000 г.

12. John Е. Simpson. Gravity currents in the environment and the laboratory. Cambridge University Press, 1997.11013. т. Е. Faber. Fluid Dynamics for Physicists. CambridgeUniversity Press, 1995.

13. Г E. Векштейн. Физика сплошных сред в задачах. Москва, Институт компьютерных исследований, 2002.

14. Л. Прандтль, Гидроаэромеханика, Ижевск, 2000.

15. Глухов О.П., Сахаров М.Н., Ткаченко Б.К. Бифуркация обрушающихся волн на мелкой воде. // Сб. "Прикладныезадачи аэромеханики и геокосмической физики". Москва.Изд. МФТИ, 1991.

16. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. Гл.5 Гиперболические системы // М.Мир 1977. с.622.

17. Сретенский Л. Н. Теория волновых движений ЖИДКОСТИ.//2-ИЗД. М.-Л.: Наука 1976

18. Латтхилл Дж. Волны в жидкостях.//М.: Мир 1981.

19. Стокер Дж. Волны на воде// М.: ИЛ, 1959

20. К. Shariff, А. Leonard, Vortex Rings, Ann. Rev. Fluid Mech., 1992,24.

21. Леонтьев И. О. Динамика прибойной зоны. М.:ИО АН СССР. С 184.1989

22. Puleo, J, COMPARISON OF REMOTE SENSING AND IN SITU MEASUREMENTS OF NEARSHORE FLOWS,Материалы конференции AGU, December 10-14,2001

23. B. B. Шулейкин, Физика моря. Издательство АН СССР, 1953.

24. Валлендер В., Лекции по гидроаэромеханике. Издательство Ленинфадского университета, Ленинград,1978.

25. J. Simpson, Gravity currents in the environment and the laboratory, Cambndge University Press, Second Edition.111

26. A. A. Korobkin, D. H. Peregrine, The energy distribution resulting from an impact on a floating body", Jornai of FiuidMechanics (2000), voi. 417, pp. 157-181, Cambridge UniversityPress 2000.

27. A. LafratI, A. Korobkin, Initial stage of flat piate impact onto liquid free surface". Physics of Fluids, vol. 16, number 7,2004.

28. A. Korobkin, "Shallow water impact problems". Journal of Engeneering Mathematics, 35, pp. 233-250,1999.

29. Э. Симиу, P. Сканлан, «Воздействие ветра на здания и сооружения», Москва, Стройиздат, 1984.

30. Хинце И. Турбулентность, её механизм и теория. М., Физматгиз, 1963,680 с.

31. S. Gaudet (1998) Numerical simulation of circular disks entering the free surface of a fluid, Phys. Fluids 10,2489-2499.

32. A. lafrati, A. Carcaten-a, E. Ciappi and E.F. Campana (2000) Hydroelastic analysis of a simple oscillator impacting thefree surface, J. Ship Res., 44,278-289.

33. Cointe, R. 1989 Two-dimensional water-solid impact. J. Offshore Mech. & Arctic Engng. 111,109-114.

34. Cointe, R. & Amiand, J.-L. 1987 Hydrodynamic impact analysis of a cylinder. J. Offshore Mech. & Arctic Engng.109,237-243.

35. D. Battistin and A. lafrati (2003) Hydrodynamic loads during water entry of two-dimensional and axisymmetric bodies,J. Fluids Struct., 17,643-664.

36. A.A. Korobkin and A. iafrati (2005) Hydrodynamic loads during initial stage of floating body impact, J. Fluids Struct.,21,413-427.112

37. A. lafrati, A.A. Korobkin (2004) Initial stage of flat plate impact onto liquid free surface, Phys. Fluids, 16,2214-2227.

38. A.A. Korobkin (2005) Second-order Wagner theory of wave impact, J. Engng Math.

39. Lesser, M. B. & Field, J. E. 1983 The impact of compressible liquids. Ann. Rev. Fluid Mech. 15, 97-122.

40. Lewison, G. R. G. 1970 On the reduction of slamming pressures Trans. RINA112,285-306.

41. H. Bredmose, M. Brocchini, D. Peregrine and L. Thais "Experimental investigation and numerical modeling of sleepwater waves", Joumal of Fluid Mechanics, 4 vol., 2002.

42. Simon J. Cox), Mark J. Cooker, "The pressure impulse in a fluid saturated crack in a sea wall. Coastal Engineering 42 2001241-256

43. V. I. Bukreev and A. V. Gusev, "SUDDEN BLOCKING OF A SUPERCRITICAL OPEN-CHANNEL FLOW", Joumal ofApplied Mechanics and Technical Physics, Vol. 45, No. 4, pp.505-509, 2004

44. Weidong Peng & D. H. Peregrine "PRESSURE-IMPULSE THEORY FOR PLATE IMPACT ON WATER SURFACE",Abstract for 15th International Workshop on Water Waves andFloating bodies, Caesarea, Feb-March 2000

45. ГОСТ P 22.0.06 - 95. «Источники природных чрезвычайных ситуаций. Поражающие факторы».М.Шадрин И.Ф. Особенности гндродинамнчвских процессов впрнбрежной зоне моря. Исследования по динамике вод игидрохимии Черного моря. 4.1. М.: 1978, с.85-156

46. Т. Burton, D. Sharpe, N. Jenkins, Е. Bossanyi: Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons (2001).113

47. Davenport, A.G., 'The application of statistical concepts to wind loading of structures', Proc. bistn. Civ.Engrs. 19 (1961) 449-472.

48. Davenport, A.G., *Gust loading factors', J. Struct. Div., ASCE 97(6) (1967)11-34.

49. Cooker, M. J. & Peregrine, D.H. 1995 Pressure-impulse theory for liquid impact problems. J. Fluid Mech. 297,193-214.114