Исследование и моделирование процесса свободного растекания бурного потока за водопропускными сооружениями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат технических наук Косиченко, Наталья Викторовна

• Косиченко, Наталья Викторовна
• кандидат технических наук
• 2011

Заключение диссертации по теме «Гидравлика и инженерная гидрология», Косиченко, Наталья Викторовна

Выводы по главе 6

1. Так как при проектировании малых мостов полагают ширину укрепления отводящего русла в соответствии с нормативной документацией (в справочнике по гидравлике [21])

Р = | = (2.3), а для труб Р = — = (5 -г- 7), то адекватность теоретической крайней линии тока проверяют только до расширения Р = 7.

Как показывают расчеты для 55 опытов, выполненные по исходным данным из экспериментов в интервале чисел Фруда от 1,5 до 5,5, адекватность по геометрии крайних линий тока существенно повышается в сравнении с известными методами в справочной литературе.

Расчеты показывают также и хорошее совпадение глубин и скоростей потока вдоль оси симметрии. Это позволяет сделать вывод об увеличении адекватности модели в окрестности выхода потока из трубы по сравнению с ранее известными методами в целом по всему спектру параметров потока.

2. В первом приближении в расчетах крепления труб и малых мостов можно не учитывать силы трения потоку в окрестности выхода потока из трубы при его течении по гладкому бетонному руслу (силы трения оказывают малое влияние).

3. Учет сил сопротивления потоку в окрестности выхода потока из трубы показывает незначительное увеличение адекватности по параметрам потока. Это подтверждается сравнением модельных и экспериментальных контуров растекания потока и параметров потока V, к вдоль оси симметрии. г

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сравнение результатов существующих расчетных методов с результатами лабораторных исследований по свободному растеканию потока за водопропускными трубами свидетельствуют об их низкой адекватности, что обосновывает актуальность настоящей работы.

2. Обосновывая необходимость создания модели планового растекания бурного потока за водопропускными трубами при его безнапорном истечении в широкое горизонтальное отводящее русло с адекватностью, превышающей ранее имеющиеся модели и достаточной для практики проектирования ГТС, в целях нормального функционирования гидросооружений были сформулированы цель и задачи исследований.

3. Доказано, что наилучший вид формы уравнений движения для модели планового потока можно получить в естественных координатах, исходя из общей системы уравнений планового потока.

4. Получена упрощенная система двухмерных в плане уравнений движения потока в плоскости годографа скорости в естественных координатах для потенциального течения потока.

5. Аналитическое решение полученной системы уравнений движения позволило поставить и решить граничную задачу определения параметров потока при его свободном растекании в широкое отводящее русло как с учетом сил сопротивления потоку, так и без них.

6. Впервые были поставлены и решены граничные задачи свободного растекания бурного двухмерного в плане потока при вытекании потока из прямоугольной трубы в широкое отводящее русло как в плоскости годографа скорости, так и в физической плоскости течения потока.

7. Задача определения параметров потока при его свободном растекании в широкое отводящее русло распадается на три подзадачи:

- определение параметров потока вдоль его продольной оси симметрии;

- определение параметров потока вдоль крайней линии тока;

- определение параметров потока вдоль произвольной линии тока.

Все три задачи были решены аналитически в виде функциональных зависимостей.

8. Анализ формы лепестка свободного растекания потока и уравнений движения потока позволили выделить в лепестке растекания участок, непосредственно прилегающий к выходу водопропускной трубы, на котором силами сопротивления по току можно пренебречь. При этом на рассматриваемом участке характер изменения скоростей и глубин реального потока совпадает с характером изменения скоростей и глубин в модели без учета сил сопротивления потоку.

9. Сравнение с экспериментальными данными разработанных алгоритмов и программ совместно со специальными пакетами программ по математике позволили сделать вывод о высокой степени адекватности модели в окрестности выхода потока из трубы.

10. Для определения степени адекватности модели были использованы результаты экспериментальных исследований по свободному растеканию потока на кафедре «Гидравлики и инженерной гидрологии» в НГМА и составлены сопоставления результатов модели и эксперимента в виде графиков.

11. Разработанные программы позволяют определить весь комплекс параметров потока и констатировать устойчивую работу модели при различных граничных условиях на выходе потока из трубы в отводящее русло.

12. Выявлены основные свойства бурного потока при его свободном растекании в отводящее русло и характерные участки потока в лепестке растекания. Отмечено уменьшение степени уполаживания свободной поверхности потока вдоль его оси симметрии с увеличением параметра кинетичности потока при его выходе из трубы.

13. Даны рекомендации для учета сил сопротивления потоку и корректировка метода для определения параметров потока за водопропускной трубой. Результаты исследований внедрены в проектной практике в качестве конкурирующего варианта расчета параметров водного потока в сооружениях дорожно

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Косиченко, Наталья Викторовна, 2011 год

1. Шеренков, И.А. О плановой задаче растекания струи бурного потока несжимаемой жидкости Текст. / И.А. Шеренков // Изв. АН СССР. ОТН. - 1958, № 1.-С. 72-78.

2. Емцев, Б.Т. Двухмерные бурные потоки Текст. / Б.Т. Емцев. — М.: Энергия, 1967.-212 с.

3. Высоцкий, Л.И. Управление бурными потоками на водосбросах Текст. / Л.И. Высоцкий. М.: Энергия, 1990. - 280 с.

4. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров Текст. / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1970. - 720 с.

5. Тихонов, А.Н. Уравнения математической физики Текст. / А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. -М.: Наука, 1986. 106 с.

6. Мелещенко, Н.Т. Плановая задача гидравлики открытых водотоков Текст. / Н.Т. Мелещенко // Изв. ВНИИГ им. Веденеева. 1948. - Т. 36. - С. 3359.

7. Нумеров, С.Н. Об учете сил сопротивления при построении плана бурного течения Текст. / С.Н. Нумеров // Труды ЛПИ. Л., 1948, № 5. - С. 184189.

8. Франкль, Ф.И. Теоретический расчет неравномерного бурного потока на быстротоке Текст. / Ф.И. Франкль // Труды Киргизского университета. Физико-математический факультет. 1955. - Вып. 3. — 228 с.

9. Сухомел, Г.И. Вопросы гидравлики открытых русел и сооружений Текст. / Г.И. Сухомел. К.: Изд-во АН УССР, 1949. - 314 с.

10. Ippen, А.Т. Mechanics of Supercritical Flow Текст. / A.T. Ippen. -Transactions ASCE, vol. 116 1951.

11. Sherenkov, I. A. Solution by computers of the plane problem of the supercritical turbulent flows movement Текст. / I.A. Sherenkov // XI Congress IAHR, Leningrad. 1965.

12. Ippen, A.T. Mechanics of Supercritical Flow Текст. / A.T. Ippen. Proceedings American Society of Civil Engineers. - 1949, Nov., № 9. - V. 75. - 178 p.

13. Takeda, R. The influence of turbulence on the characteristic of the propeller current meters Текст. / R. Takeda, M. Kawanami // Trans. Soc. Mtch. Eng— 1978, № 383. V. 44. - P. 2389- 2394.

14. Сухомел, Г.И. Угол расширения открытых потоков Текст. / Г.И. Су-хомел //Гидротехническое строительство, 1944, № 8-9.

15. Журавлёв, П.А. Применение метода Христиановича к изучению движения жидкости в каналах Текст. / П.А. Журавлёв // Вестник Ленинградского университета, 1955, № 8.

16. Гарзанов, A.B. Применение метода Кирхгофа-Чаплыгина к расчету сжатия открытых потоков Текст. / A.B. Гарзанов // Сб. тр. каф. гидравлики Саратовск. политехи, ин-та. Саратов, 1963. - Вып. 19.

17. Лилицкий, Г.А. Исследования растекания бурного потока в нижнем бьефе водопропускных сооружений Текст. / Г.А. Лилицкий // Гидравлика и гидротехника: Респ. межвед. научно-техн. сб. — К.: Техника, 1966. Вып. 2. — С. 78-84.

18. Takeda, R. Theoretical research an propeller type current meters Текст. / R. Takeda // Trans. ASME. 1975, A. 97, № 4. - P. 599-602.

19. Рауз, X. Механика жидкости для инженеров-гидротехников / X. Рауз. М., Л.: Госэнергоиздат, 1958. - 368 с.

20. Невский, В.В. Гидравлика, Гидрология, Гидрометрия Текст. / В.В. Невский, Л.Н. Копац, Ю. С. Смирнов. — М.: Транспорт, 1988.

21. Справочник по гидравлике Текст. / Под ред. В.А. Большакова. Изд. 2-е, перераб. и доп. - К.: Вища школа, 1984. - 343 с.

22. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений Текст. / Под ред. Г.Я. Волченкова. М.: Транспорт, 1992. - 408 с.

23. Цивин, М.Н. Новый подход к проблеме гашения избыточной кинетической энергии за трубчатыми водосбросами Текст. / М.Н. Цивин // Гидравлика и гидротехника: Респ. межвед. научн.-техн. сб. 1998. - Вып.59. - С.85-89.

24. Есин, А.И. Задачи технической механики жидкости в естественных координатах Текст. / А.И. Есин // ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов, 2003. - 144 с.

25. Гидравлические расчёты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие Текст. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 257 с.

26. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа Текст. / Л.Г. Лойцян-ский. М.: Дрофа, 2003. - 840с.

27. Лилицкий, Г.А. Сечение полного растекания бурного потока при внезапном расширении русла Текст. / Г.А. Лилицкий // Гидравлика и гидротехника: Респ. межвед. научно-техн. сб. К.: Техника, 1966. - Вып. 2. - С. 93-97.

28. Христианович, С.А. Механика сплошной среды Текст. / С.А. Хри-стианович М.: Наука, 1981. - 483с.

29. Ширяев, В.В. Развитие теории двухмерных открытых водных потоков Текст.: монография / В.В. Ширяев, М.Ф. Мицик, Е.В. Дуванская: под общей ред. В.В. Ширяева. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - 133 с.

30. Мицик, М.Ф. Растекание двухмерного планового потока в нижнем бьефе водопропускных сооружений Текст. / М.Ф. Мицик: дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Новочеркасск, 2006. - 238 с.

31. Милитеев, А.Н. Метод расчета сопряжения бьефов в пространственных условиях Текст. / А.Н. Милитеев, Н.П. Тогунова // Гидравлика сооружений оросительных систем: тр. НИМИ. Новочеркасск, 1976. - Т. 18. - Вып. 5. -С. 180-194. .

32. Справочник по гидравлическим расчетам Текст. / Под ред. П.Г. Ки-силева. М: Энергия, 1974. - 313 с.

33. Гиргидов, А.Д. Механика жидкости и газа (гидравлика): учеб. пособие Текст. / А.Д. Гиргидов. 2-е изд.- СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2003. - 545 с.

34. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика Текст. / Д.В. Штеренлихт. Изд. 3-е, перераб. -М.: Колос, 2005. - 656 с.

35. Вернадский, Н.М. Теория турбулентного потока и её применение к построению плана течений в открытых водоёмах Текст.: Материалы по гидрологии, гидрографии и водным силам СССР / Н.М. Вернадский. Вып. 20. - М., JL: Госэнергоиздат, 1993. - 83 с.

36. Константинов, Н.М. Гидравлика, гидрология, гидрометрия: Учеб. для вузов: В 2 ч. Общие законы Текст. / Н.М. Константинов, H.A. Петров, Л.И. Высоцкий Л.И. М.: Высшая школа, 1987. - 304 с.

37. Чугаев, P.P. Гидравлика (техническая механика жидкости) Текст. / P.P. Чугаев. Изд. 4-е. - М., Л.: Энергоиздат, 1982. - 672 с.

38. Шеренков, И.А. Прикладные плановые задачи гидравлики спокойных потоков Текст. / И.А. Шеренков. М.: Энергия, 1978. - 240 с.

39. Лаврентьев, М.А. Проблемы гидродинамики и их математические решения Текст. / М.А. Лаврентьев, Б.В. Шабат. Изд 2-е. - М.: Наука, 1977. -408 с.

40. Чаплыгин, С.А. Механика жидкости и газа. Математика. Общая механика Текст.: избранные труды / С.А. Чаплыгин. — М.: Наука, 1976. 496 с.

41. Бейтмен, Г. Высшие трансцендентные функции. Т.1 Текст. / Г.Бейтмен, А. Эрдейи. М.: Наука, 1973. - 297 с.

42. Косиченко, Н.В. О лепестке свободного растекания бурного потока в широкое укрепленное русло Текст. / Н.В. Косиченко. / Природообустройство. — 2011. № 3. — С. 58-62.

43. Косиченко, Н.В. Анализ изучения и уточнения методов свободного растекания потока за безнапорными водопропускными отверстиями Текст. / Н.В. Косиченко. / Вестник СГАУ. Саратов, 2011. - № 8. - С. 85-89.

44. Камке, Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям Текст. / Э. Камке. Пер. с нем. - 4-е изд., испр. и доп. - М.: Наука, 1971. -576 с.

45. Gioia, G. Scaling and similarity in open channel flows Текст. / G. Gioia, F. A. Bombardelli // Physical Review Letters, 88(1), 2002.

46. Гринвальд, Д.И. Методика натурных исследований пульсации скорости русловых потоков Текст. / Д.И. Гринвальд // Гидравлика и гидротехника: Респ. межвед. научн.-техн. сб. К.: Техника, 1966. - Вып. 4, - с. 49-57.

47. Дьяконов, В.П. Maple 7: Учебный курс Текст. / В.П. Дьяконов. -СПб.: Изд. дом «Питер». 2002. - 672 с.

48. Есин, А. И. Развитие теории и методов расчета стационарных и нестационарных движений воды: Автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.23.16 Текст. / А.И. Есин. М., 2004г. - 48 с.

49. Перевозников, Б.Ф. Водоотвод с автомобильных дорог. Текст. / Б.Ф. Перевозников. М.: Транспорт, 1982. - 190 с.

50. Ткаченко, Н.И. Краткий анализ методов гидравлического расчета нижнего бьефа при свободном растекании бурного потока Текст. / Н.И. Ткаченко // Гидравлика сооружений оросительных систем и водотоков. Новочеркасск, 1985.-С. 23-30.

51. Цивин, М.Н. Исследование сопряжения бьефов прямоугольных водопропускных труб и быстротоков при свободном растекании бурного потока: автореферат . канд. техн. наук: 05.14.09. Текст. / М.Н. Цивин. Киев, 1981. -22 с.

52. Кольченко, О.Л. Управление кинематической структурой двухмерного бурного потока за трубчатыми водосбросными сооружениями. Автореферат . канд. техн. наук: 05. 14. 09 Текст. / О.Л. Кольченко. Киев, 1987. - 20с.

53. Константинов, Н.М. Некоторые вопросы гидравлики нижнего бьефа малых дорожных водопропускных сооружений при свободном растекании бурного потока Текст. / Н.М. Константинов // Гидравлика дорожных водопропускных сооружений. Киев, 1969. - С.255-269.

54. Васильев, О.Ф. Численный метод расчета неустановившихся течений в открытых руслах Текст. / О.Ф. Васильев, Т.А. Темноева, С.М. Шугрин. -Изв. АН СССР. Механика. 1965, № 2. - С.43-58.

55. Понтрягин, Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения Текст. / Л.С. Понтрягин. М.: Наука, 1970. - 332 с.

56. Люк, Ю. Специальные математические функции и их аппроксимации. Текст. / Ю. Люк. Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. - 609 с.

57. Полянин, А.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики Текст. / А.Д. Полянин. М.: Физматлит, 2001. - 576с.

58. Чаплыгин, С.А. Избранные труды Текст. / С.А. Чаплыгин / Механика жидкости и газа. Математика. Общая механика. М.: Наука, 1976. - 496с.

59. Цивин, М.Н. О предельном расширении двухмерного бурного потока Текст. / М.Н. Цивин, Н.И. Ткаченко, O.JI. Кольченко // Гидромелиорация и гидротехническое строительство. Львов, 1987. - Вып. 15. - С. 41-44.

60. Шенн, X. Теория инженерного эксперимента Текст. / X. Шенн; под редакцией чл.-корр. АН СССР Н.П. Бусленко. Перевод с английского Е.Т. Коваленко. М.: 1997. - 214 с.

61. Лятхер, В.М. Гидравлическое моделирование Текст. / В.М. Лятхер, A.M. Прудовский. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 392 с.

62. Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений: Межвуз. научн. сб. / Саратов, гос. техн. ун-т. Ред-кол.: Л.И.Высоцкий и др. Саратов, 1994. - 94 с.

63. Гидравлика гидротехнических сооружений / Всероссийский гос. НИИ гидротехники им. Б.Е.Веденеева. СПб.: 2002. - 262 с.

64. Ландау, Л.Д. Курс теоретической физики. Гидродинамика Текст. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Т.6. - М.: Наука. 2003. - 736 с.

65. Лаврентьев, М.А. Проблемы гидродинамики и их математические модели Текст. / М.А. Лаврентьев, Б.В. Шабат. М.: Наука. 2003. - 416 с.

66. Косиченко, Ю.М. Лабораторный практикум по гидравлике: Учебное пособие Текст. / Ю.М. Косиченко, В.А. Храпковский. Новочеркасск, НГМА, 2005.-164 с.

67. Шаталов, М.Л. Взаимодействие бурного потока с конструкциями дорожных сооружений. Гидравлика дорожных водопропускных сооружений Текст. / М.Л. Шаталов. Сб. научн. трудов МАДИ. - М., 1976. - Вып. 121. -С. 24.-27.

68. Богомолов, А.И. Высокоскоростные потоки со свободной поверхностью: Учебн. пособие для студентов спец. «Гидротехника» Текст. / А.И. Богомолов, B.C. Боровков, Ф.Г. Майрановский. -М.: Стройиздат. 1979. 347 с.

69. Слисский, С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений Текст. / С.М. Слисский. М.: Энергоатомиздат, 1986. -335 с.

70. Смирнов, М.М. Дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка Текст. / М.М. Смирнов. М.: Наука, 1964. - 202 с.

71. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: Справочное пособие Текст. -М.: Энергоатомиздат. 1988. 624 е.: ил.

72. Эббот, М.Б. Гидравлика открытого потока Текст. / М.Б. Эббот. М.: Энергоатомиздат, 1983. — 272 с.

73. Соболев, C.JI. Уравнения математической физики Текст. / C.JI. Соболев. М.: Гостехиздат, 1966. - 444 с.

74. Леви, И.И. Моделирование гидравлических явлений Текст. / И.И. Леви. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1967. — 235 с.

75. Чоу, В.Т. Гидравлика открытых каналов Текст. / В.Т. Чоу. М.: Стройиздат, 1969. - 464 с.

76. Цивин, М.Н. Гидрометрия: теория и практика измерения скорости течения воды в открытых каналах Текст. / М.Н. Цивин, П.И. Абраменко. К.: ГиМ, 2004. - 108 с.

77. Железняков, Г.В. Теория гидрометрии Текст. / Г.В. Железняков. -Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-343 с.

78. Bennet, G.P. Comparison of a propeller flow meter with a hot-film anemometer in measuring turbulence in movable boundary open-channels flows Текст. / G.P. Bennet, R.S. Mc Quivey. Geol. Surv. Profess. Pap., 1970, № 700. - B. -P.254-262.

79. Takeda, R. The influence of turbulence on the characteristic of the propeller current meters Текст. / R. Takeda, M. Kawanami. Trans. Soc. Mtch. Eng., 1978,44, № 383. - p. 2389-2394.

80. Чертоусов, М.Д. Специальный курс гидравлики Текст. / М.Д. Черто-усов. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. - 630 с.

81. Нумеров, С.Н. Плановая задача гидравлики открытых водотоков в случае бурного вихревого течения Текст. / С.Н. Нумеров // Известия ВНИИГ, 1949, т. 40.-С. 149-153.

82. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике. Изд. 7-е Текст. / Л.И. Седов. - М.: 1972.

83. Владимиров, B.C. Уравнения математической физики Текст. / B.C. Владимиров. -М.: Наука, 1988. 512 с.

84. Лятхер, В.М. Турбулентность в гидросооружениях Текст. / В.М. Лятхер. М.: Энергия, 1968. - 408 с.

85. Луценко, В.В. Влияние степени открытия затворов на скоростную структуру потока за трубчатыми сооружениями Текст. /В.В. Луценко // Гидравлика и гидротехника: Респ. межвед. научн.-техн. сб. К.: Техника, 1975. -Вып. 20. - С. 65-68.

86. Фидман, В.А. Измерение турбулентности водных потоков Текст. / В.А. Фидман // Вопросы гидрологического приборостроения. Л.: Гидрометео-издат, 1977, № 6. - С.190-195.

87. Алтай, H.H. К вопросам теории и практического применения гидрометрических вертушек Текст. / H.H. Алтай // Применение радиоэлектроники и телеметрии при гидрогеологических исследованиях: Тр. ГГИ. Л.: Гидроме-теоиздат, 1974. - Вып. 215. - С. 51-63.у