Колебательные процессы в открытых водных потоках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат технических наук Илларионов, Александр Васильевич

• Илларионов, Александр Васильевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Илларионов, Александр Васильевич

Введение.

1 Анализ существующих результатов исследований низкочастотных колебательных процессов в открытых потоках.

1.1 Обзор существующих натурных исследований колебательных процессов в открытых водных потоках.

1.2 Теоретические объяснения колебательных процессов в открытых водных потоках.

1.3 Постановка задачи.

2 Информационно-измерительный комплекс (ИИК).

2.1 Общая характеристика ИИК.

2.2 Измерение уровня воды.

2.3 Измерение скорости водного потока.

2.4 Измерение уклона водной поверхности.

2.5 Выводы.

3 Экспериментальные исследования колебательных процессов в открытых водных потоках.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований.

3.3 Методика обработки экспериментальных данных.

3.4 Анализ экспериментальных данных.

3.5 Анализ процессов на фазовой плоскости и обобщение результатов по выявлению низкочастотной периодичности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Колебательные процессы в открытых водных потоках»

Актуальность темы

В 60-е годы прошлого века в научно-технической литературе появились публикации, указывающие на то, что в безнапорных потоках могут наблюдаться низкочастотные колебания средней по сечению скорости с периодом примерно 10-30 минут.

Изучение таких колебательных явлений, наблюдающихся при определенных условиях в открытых водных потоках, является одной из важных задач речной гидрометрии и гидравлики. Длиннопериодные колебания скоростей во времени делают неэффективными все ускоренные измерения расхода, и, следовательно, существенно влияют на вопросы гидрометрического учета стока. Особенно это актуально для горных рек, на которых более ярко выражены подобные колебания, а измерения расхода стараются проводить ускоренными методами, в частности, с помощью ультразвука или способом ионного паводка.

Еще одно приложение практического решения данной задачи - это возможная связь колебаний скорости потока с возникновением различных типов руслового процесса.

Вместе с тем проведение исследований колебательных явлений на естественных водотоках требует значительных финансовых затрат, особенно при синхронном наблюдении за состоянием подвижного дна. Отсюда следует, что существует необходимость в создании инструментальной базы и методики исследования этих явлений.

Цели и задачи исследования

Целью работы является разработка информационно-измерительного комплекса (ИИК) и проведение с его помощью экспериментальных исследований в открытых потоках, позволяющих выделять статистически значимые низкочастотные колебательные процессы.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

• создан ИИК, содержащий уровнемер, уклономер, измеритель скорости, систему сбора и передачи информации на базе микропроцессора АТ89С2051;

• проведены эксперименты в натурных и лабораторных условиях в широком диапазоне изменения гидравлических характеристик и обобщенных переменных, представленных числами Рейнольдса и Фруда;

• применены современные методы статистической обработки измерительной информации, включая метод фазовой плоскости для исследования квазипериодических аттракторов, и проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных с существующими теоретическими результатами.

Методика исследований и исходный материал

Решение поставленных задач проводилось, в основном, в режиме активного эксперимента в лабораториях водных исследований РГГМУ (ЛГМИ) и ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Кроме этого, выполнены натурные наблюдения на р. Оккервиль (Веселый Поселок) и ручье Красном (п. Дай-мище).

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками выделенных периодов низкочастотных колебаний (обработка результатов измерений осуществлялась с помощью стандартного пакета статистической обработки информации Sta-tistica - версия 6.0, а также приложения Microsoft Excel 2002 - версия 10.0), совпадением на достаточно высоком уровне статистической значимости экспериментальных и теоретических результатов, а также авторскими свидетельствами на изобретения.

Научная новизна работы

В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

• разработан ИИК, некоторые компоненты которого защищены патентами;

• в режиме активного эксперимента установлены условия возникновения низкочастотных колебательных явлений, которые подтверждают вывод теории о том, что они возможны (наблюдаемы) только в неравновесном состоянии потока;

• впервые в экспериментальной гидравлике безнапорных потоков применен метод фазовой плоскости, который позволил оценить поведение квазипериодических аттракторов в условиях неравновесного режима, что совпало с существующими на сегодняшний день выводами теории частично инфинитного моделирования.

Практическая значимость результатов исследований

Использование информационно-измерительного комплекса при проведении гидравлических экспериментальных работ позволяет осуществлять постановку экспериментов в активном режиме с интерпретацией результатов в реальном масштабе времени как в лабораторных условиях, так и в рамках натурных исследований на открытых водотоках. В последнем случае особую практическую значимость приобретает возможность непосредственной трансляции получаемых данных в персональный компьютер, что позволяет при наличии возможных на сегодняшний день различных беспроводных каналов связи передавать информацию практически на любой доступный компьютерный терминал.

В процессе выполнения работы изучены особенности статистического выделения периодических колебаний скорости малой амплитуды на фоне турбулентного шума, что позволяет повысить точность гидрометрического учета стока при использовании ускоренных методов измерений.

Разработанный автором информационно-измерительный комплекс является многофункциональным, и нашел применение при решении ряда задач гидравлики и гидрометрии (измерение параметров неустановившегося движения, измерение расхода методом ионного паводка), а также в учебном процессе по курсам гидравлики и гидрометрии.

Работа частично выполнялась в рамках грантов кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГГМУ "Нелинейные аспекты частично инфинитного моделирования гидрометеорологических процессов" и "Частично инфи-нитное моделирование и прогнозирование процесса формирования речного стока", финансируемых Министерством образования Российской Федерации.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на V Всесоюзном гидрологическом съезде (1986 г., Ленинград), итоговой сессии ученого совета РГГМУ (2003 г.), научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов и кафедры гидрометрии РГГМУ, кафедры гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного университета.

Публикации

По теме диссертации опубликовано пять работ и получено одно авторское свидетельство.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 39 источников, и приложений. Основное содержание работы изложено на 105 страницах (не считая приложений), включая 37 рисунков и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Илларионов, Александр Васильевич

Заключение

По результатам выполненной работы можно сформулировать основные выводы и положения, которые выносятся на защиту:

1. Разработан информационно-измерительный комплекс, включающий уровнемер, уклономер и измеритель скорости, который позволяет автоматизировать гидравлические исследования колебательных процессов в открытых водных потоках в реальном масштабе времени;

2. Результатами исследований как в натурных, так и в лабораторных условиях в широком диапазоне значений обобщенных переменных, подтверждается наличие низкочастотных колебаний безнапорных потоков;

3. В режиме активного лабораторного эксперимента выявлены условия физического и экспериментального (точностного) характера, при которых возможна идентификация низкочастотных колебательных процессов; с высокой степенью статистической надежности подтвержден существующий теоретический вывод о том, что они возможны только в неравновесном состоянии открытого потока;

4. Впервые в экспериментальной гидравлике безнапорных потоков применен анализ низкочастотных колебательных процессов на фазовой плоскости, который позволил визуализировать двумерные проекции квазипериодических аттракторов в условиях неравновесного режима, ранее теоретически установленные методами частично инфинитного моделирования.

Дальнейшие исследования по данной теме должны идти, как по пути разработки по "настоящему гидравлических" датчиков скорости, уровня и сопротивлений (с соответствующим расширением ИИК), так и в направлении проведения активного эксперимента в условиях деформируемых русел с сильной замутненностью. Подобные эксперименты были проведены и показали возможность долговременной работы вертушки в таких условиях. Однако из-за трудоемкости был проведен всего один эксперимент, не позволяющий сделать статистически надежных выводов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Илларионов, Александр Васильевич, 2003 год

1. Дементьев В.В. Исследование пульсации скорости течения на горных реках и ее влияние на точность измерения расхода воды// Труды ГГИ. 1962. - Вып. 98. - С. 56 - 98.

2. Гринвальд Д.И. Турбулентность русловых потоков. Д.: Гидроме-теоиздат, 1974. - 166 с.

3. Коплан-Дикс С.И. К вопросу о точности определения расхода воды// Труды ГГИ. 1960. - Вып. 84. - С. 23 - 35.

4. Грани гидрологии/Под ред. Дж.К. Родда. JL: Гидрометеоиздат, 1980.-448 с.

5. Клавен А.Б. Исследование структуры турбулентного потока// Труды ГГИ. 1966. - Вып. 136. - С. 65 - 76.

6. Клавен А.Б. Лабораторное исследование кинематической структуры турбулентного потока с сильно шероховатым дном// Труды ГГИ. -1973. Вып. 209. -С. 61- 90.

7. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-313 с.

8. Тез. докл. Д.: Гидрометеоиздат, 1960. - T. V. - С. 9 - 18.

9. Матвеев Н.М. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений. Минск: Вышейшая школа, 1974. - 768 с.

10. Карасев И.Ф., Коваленко В.В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 208 с.

11. Коваленко В.В. Нелинейные аспекты частично инфинитного моделирования в эволюционной гидрометеорологии. СПб.: Изд. РГГМУ, 2002. - 158 с.

12. Коваленко В.В., Илларионов A.B. К автоматизации экспериментальной проверки решений динамико-статистических моделей речной гидрометрии// Труды V Всесоюзного гидрологического съезда. JL: Гидрометеоиздат, 1988. - Т. III. - 518 с.

13. Илларионов A.B. Автоматизация экспериментальных исследований колебательных процессов в водных потоках// Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМУ. Часть 1. Секция метеорологии и гидрологии. СПБ.: Изд РГГМУ, 2003. - С. 84.

14. Волгин Л.И. Аналоговые операционные преобразователи для измерительных приборов и систем. М., 1983. - 288 с.

15. Ковчин И.С., Степанюк И.А. Методы специальных океанологических измерений/Под ред. проф. И.А. Степанюка. СПб.: Изд. РГГМУ, 2002. - 272 с.

16. Можегов H.A. Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материалов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 118 с.

17. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин// Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. - 320 с.

18. Быков В.Д., Васильев A.B. Гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.-448 с.

19. Арбузов И.А. Электрические измерения гидрологических величин. -Л.: Изд. ЛГМИ, 1975. 158 с.

20. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. М.: Сов. Радио, 1978.-360 с.

21. A.c. 636479 СССР, МКИ G01C13/20. Устройство для измерения продольного уклона свободной поверхности водотока/И.А. Арбузов, В.В. Коваленко, A.B. Илларионов (СССР). -№ 2486983/18-10; Заявл. 16.06.77; Опубл. 1978, Бюл. № 45.

22. Арбузов И.А., Коваленко В.В. К автоматическому измерению продольного уклона свободной поверхности водотоков// Вопросы гидрологического приборостроения. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - С. 232-238.

23. Арбузов И.А., Коваленко В.В. Исследование динамических свойств гидрометрической трубки// Межвузовский сборник. Л.: Изд. ЛПИ, 1976.-Вып. 59.-С. 45 -53.

24. Спицын И.П., Соколова В.А. Общая и речная гидравлика. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 360 с.

25. Серебренников М.Г., Первозванский A.A. Выявление скрытых пе-риодичностей. М.: Наука, 1965. - 244 с.

26. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. -М. : Мир, 1974.-464 с.

27. Kendall M. G. Time Series. New York: Oxford University Press, 1984.

28. Daniell P. J. Discussion on symposium on autocorrelation in time series// Journal of the Royal Statistical Society 1946. - Suppl. 8. - P. 88 - 90.

29. Blackman R. В., Tukey J. The measurement of power spectral from the point of view of communication engineering. New York: Dover, 1958.

30. Parzen E. Mathematical considerations in the estimation of spectral: Comments on the discussion of Messers, Tukey, and Goodman. Tech-nometrics, 1961. - Vol. 3. - P. 167 - 190; 232 - 234.

31. Шелутко В.А. Численные методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1991.-239 с.

32. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1972.-288 с.