Вихри в придонной области стационарных замедляющихся потоков с плоским дном и их влияние на гидравлическое сопротивление потоков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.23, кандидат физико-математических наук Леонтьев, Дмитрий Игоревич

• Леонтьев, Дмитрий Игоревич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Леонтьев, Дмитрий Игоревич

Глава 1. Введение и обзор литературы

1.1 Гидравлическое сопротивление потоков

1.2 Исторический обзор

1.3 Определение сил трения

1.4 Потери напора при равномерном движении жидкости

1.5 Влияние шероховатости

1.6 Расчетные зависимости для открытых русел

1.7 Отрыв вихрей за шаром

1.8 Дисковая модель Жмура движения твердотельного вихря в потоке со сдвигом скорости

Глава 2. Экспериментальное оборудование и методика измерений

2.1 Описание установки

2.2 Измерительная аппаратура а) Измерение скорости течения б) Регистрация свободной поверхности потока в) Видеосъемка

2.3 Методика измерений

2.4 Методы расчета спектров

Глава 3. Результаты экспериментов

3.1 Исследование поля скорости неравномерных потоков

3.2 Отрыв вихрей

3.3 Траектории движения вихрей

3.4 Размер и форма вихрей

3.5 Применимость модели Жмура для изучаемых потоков

3.6 Экспериментальная проверка применимости модели

Жмура

3.7 Влияние шероховатости на процесс отрыва вихрей

3.8 Влияние характеристик потока на отрыв вихрей

3.9 Явление «решетки» - групповой характер отрыва вихрей

3.10 Расчет гидравлического сопротивления потока на основе результатов исследования процессов образования вихрей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вихри в придонной области стационарных замедляющихся потоков с плоским дном и их влияние на гидравлическое сопротивление потоков»

Для решения многих практических задач гидродинамики и гидравлики необходимо рассчитывать и уметь прогнозировать такие величины, как сопротивление потока, массообмен, деформацию дна потока, а также множество подобных характеристик, описывающих движение жидкости в потоке.

Правильный прогноз и расчет гидравлического сопротивления потоков является важным условием экономии средств, при постройке и эксплуатации гидротехнических сооружений. В настоящий момент физическая картина процессов, обусловливающих сопротивление потоков неизвестна. В связи с этим, существует множество гипотез не имеющих экспериментального подтверждения. Примером одной из последних гипотез является предположение о влияние на сопротивление потоков вихрей с горизонтальной осью, направленной вдоль потока, существующих в узкой пристеночной области [37,42]. Сделано много попыток уменьшения сопротивления численными методами на основе управления взаимодействия между вихрями и стенкой, аналогично давно известным практическим способам: вдув-отсос в перпендикулярном потоку направлении, введение осцилляций движущейся стенки и другими методами [28,29,36,38,40]. Результаты этих работ не проверены на практике, а их эксплуатация нерентабельна.

Отсутствие четкой физической картины процессов, определяющих сопротивление потока, приводит к тому, что существующие методики расчета основаны на эмпирических соотношениях между прогнозируемой величиной и известными характеристиками потока. Использование этих соотношений, полученных при определенных условиях, приводит к ошибкам и большому экономическому ущербу при использовании в других условиях. В связи с этим выяснение физических механизмов, в основном определяющих сопротивление потоков даже с узкой областью применения оказывается очень важным.

Целью данной работы является исследование физического механизма, определяющего сопротивление прямых открытых стационарных замедляющихся потоков воды с плоским дном.

Известно, что при некоторых условиях, определяемых градиентом скорости, в замедляющемся потоке происходит процесс образования вихрей в придонной области потока с горизонтальной осью, перпендикулярной направлению потока [2,6,13-15,17,33,42,43,45,46]. Можно предположить, что этот процесс оказывает существенное влияние на сопротивление потока. Экспериментальной проверке выдвинутой гипотезы посвящена данная работа.

В ходе экспериментов, проведенных в лабораторных условиях, удалось установить важные особенности движения жидкости в неравномерных замедляющихся потоках, которые позволили по-новому взглянуть на существующие проблемы расчета и описания характеристик неравномерных потоков. Были обнаружены новые явления, такие как регулярный отрыв вихрей из придонной области потока, групповой характер отрыва вихрей со дна потока с некоторым шагом вдоль оси движения жидкости - явления «решетки». Такой характер отрыва и движения вихрей демонстрирует высокую степень упорядоченности и регулярности, изучаемых вихревых структур. Было обнаружено, что процесс отрыва вихрей не происходит в равномерных и ускоряющихся потоках. Были получены эмпирические зависимости между различными характеристиками, описывающими процесс образования и отрыва вихрей из придонной области потоков, и параметрами потока.

В качестве одного из важнейших практических применений проведенного в данной работе исследования и полученных результатов, была построена модель расчета гидравлического сопротивления неравномерных замедляющихся потоков, основанная на механизме образования вихрей. Оказалось, что при определенных условиях, именно процесс образования вихрей играет главную роль при расчете потерь энергии замедляющихся потоков.

Проведенный анализ и полученные экспериментальные данные позволили сделать вывод о том, что процесс образования вихрей играет очень важную, а зачастую определяющую роль при рассмотрении движения жидкости неравномерных замедляющихся потоков с открытой поверхностью.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Леонтьев, Дмитрий Игоревич

Результаты работы можно кратко изложить так.

1. Подробно изучен процесс отрыва вихрей в придонной области прямых открытых стационарных замедляющихся потоков с плоским дном в режиме неразвитой турбулентности.

2. Впервые установлено, что для описания траекторий движения вихрей, отрывающихся из придонной области замедляющихся потоков, можно применить дисковую модель Жмура движения твердотельного вихря в потоке со сдвигом скорости.

3. Впервые установлено, что отрыв вихрей из придонной области замедляющихся потоков происходит регулярно на некоторой фиксированной частоте, с некоторым фиксированным шагом вдоль оси потока, одновременно по всей длине потока.

4. Впервые получены зависимости периода отрыва вихрей, угловой скорости вращения вихрей и шага между точками отрыва от характеристик потока.

5. Впервые показано, что «потери напора» открытых стационарных замедляющихся потоков с плоским дном близки части энергии, затрачиваемой потоком на процесс образования вихрей.

Таким образом, в диссертации:

- Создана принципиально новая модель описания явления отрыва вихрей из придонной области открытых замедляющихся потоков. Эта модель позволяет определять характеристики вихрей, параметры их траектории, количество отрывов вихрей на любом участке потока, период отрыва вихрей, шаг между точками отрыва на основе известных характеристик

ПОТОК&.

- Впервые обнаружено новое явление, характеризующее групповой характер отрыва вихрей - явление «решетки». Это явление состоит в том, что отрыв вихрей происходит не из произвольных точек потока, а одновременно со всего участка дна потока с некоторым фиксированным шагом между точками отрыва вдоль оси потока - шаг «решетки».

- Предложена модель расчета гидравлического сопротивления неравномерных замедляющихся потоков. За основу принят физический механизм образования вихрей в придонной области потоков. Модель позволяет вычислять потери энергии замедляющихся потоков по легко измеряемым характеристикам потока.

В заключение, автор выражает благодарность своему научному руководителю д.ф-м.н. О.Н. Мельниковой, члену-корреспонденту РАН Л.Н. Рыкунову, профессору К.В. Показееву, к.ф-м.н. В.П. Петрову, выпускникам кафедры физики моря и вод суши Д.А.Еречневу, К.В. Достоваловой. у

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Леонтьев, Дмитрий Игоревич, 1999 год

1. И., Дмитриев Г. Т., Пикапов Ф. И. Гидравлика. Госэнергоиздат, 1964.

2. Бай Ши И. Турбулентное движение жидкости и газов. М.:Изд.иностр.лит., 1962.С.109.

3. Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. Стройиздат, М.: 1972.Вильховенко С. Д. Движение деформирующегося контура в потоке идеальной несжимаемой жидкости с постоянной завихренностью. МЖГ, 1974, №3. С. 152-154.

4. Вильховенко С. Д. Движение деформирующегося контура в потоке идеальной несжимаемой жидкости с постоянной завихренностью. МЖГ, 1974, №3. С. 152-154

5. Джозеф Д. Устойчивость движений жидкости. Издательство "Мир". 1981. С. 83.

6. Еречнев Д.А., Леонтьев Д.И., Мельникова О.Н. Образование цилиндрических вихрей у дна тормозящегося потока воды. Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1998. №6.

7. Жмур В. В. Дисковая модель мезомасштабного вихря в потоке со сдвигом скорости. Океанология. ХХУШ,(5), (1988) 709-715.

8. Зегжда А. П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах. Госстройиздат, 1957.

9. Коротаев Г. К., Чепурин Г. А. Модель динамики изолированного бароклинного вихря. Вопросы динамики океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. С. 143-156.

10. Кочин.Н.Е., Кибелъ И.А., Розан Н.В., Теоретическая Гидромеханика, часть 1,М.: ФМГИЗ, 1963. С. 229-236

11. Ламб Г. Гидродинамика. ОГИЗ, Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва. 1947. С.860-861.

12. JJe Meóme Б. Введение в гидродинамику и теорию волн на воде. Ги дрометеоиз дат, Л.: 1974.

13. Леонтьев Д.И. Влияние вихрей на потери энергии замедляющихся потоков. Тез. Первой Всероссийской конф. "Взаимодействие в системе литосфера-гидросфера-атмосфера". М.:МГУ, 1996, С.59.

14. Мельникова О.Н, Д.Н. Осипов, В.П. Петров Механизм размыва дна прямого потока при воздействии стационарной волны

15. Мельникова О.Н. Деформация дна потока, Издательство физического факультета МГУ, Москва 1997г. С. 180.

16. Мельникова ОН. Экспериментальное исследование поперечной циркуляции жидкости в турбулентном русловом потоке. 1983. Вестн.моск.ун-та. Сер.З Т.24. №4. С.82-84

17. Мельникова О.Н., Саврухин П.П. Методика определения трех компонент вектора средней скорости в прямом турбулентном русловом потоке. 1984. В кн. "Новые приборы, устройства, методики, матер, и технол. проц., разработанные учеными МГУ, М.:МГУ, С. 12

18. Мельникова О.Н., Осипов Д.Н.,Петров В.П. Механизм размыва дна прямого потока при воздействии стационарной волны. Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1993.Т.29.№4.С.565-569.

19. Павловский Н. Н. Гидравлический справочник. ОНТИ, 1937.

20. Петров В.П., Сугрей В.И. Двухкомпонентный термогидрометр постоянной температуры с цифровой регистрацией его сигналов. 1985. Приборы и техника эксперимента. С. 192-194.

21. Хинце И. О. Турбулентность. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва. 1963. С. 239.

22. Чугаев Р. Р. Гидравлика. Л.: Энергия, 1975.

23. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969.

24. Шрира В. И. О нелинейных волнах на поверхности слоя жидкости с постоянной завихренностью. Доклад АН СССР, 1986г. т. 286, №6, 13321336.

25. Яблонский B.C. Краткий курс технической гидромеханики, М.: ГИФМЛ,1961. С. 241-243.

26. Якимов Ю. Л. Движение цилиндра в произвольном плоском потоке идеальной несжимаемой жидкости. МЖГ. 1970. № 2. С. 202-204

27. С. R. Smith, J. D. A. Walker, А. Н. Haidari, and U. Sobrun, "On the dynamics of near-wall turbulence," Philos. Trans. R. Soc. London Ser. A 336, 131, 1991.

28. J. Kim, "Study of turbulence structure through numerical simulations: Theperspective of drag reduction," AGARD Report No. R-786, AGARDFDP/VKI Special Course on "Skin Friction Drag Reduction," 2-6 March 1992, VKI, Brussels, 1992.

29. Ahlborn, Ueber den Mechanismus des hydrodynamischen Wederstandes, Hamburg (1902)

30. Benard, Compets Rendus, CXLVII, 839 (1908)

31. Erechnev D.A. Leontiev D.I, Melnikhova O.N, "Eddies grid structure in decelerating flow", International conference: Stability and instability of stratified and/or rotating flow", Abstracts, Moscow, v. 24-26, 1997

32. Glauert, Proc. Roy. Soc. A, CXX, 34 (1928)

33. Graside J. E., Hall A. R. and TownendD. T. A., Nature, 152, 748 (1943)

34. J. Kim, "Study of turbulence structure through numerical simulations: The perspective of drag reduction," AGARD Report No. R-786, AGARDFDP/VKI Special Course on "Skin Friction Drag Reduction," 2-6 March 1992, VKI, Brussels, 1992.

35. J. Kim, P. Moin, and R. Moser, "Turbulence statistics in fully-developed channel flow at low Reynolds number," J. Fluid Mech. 177, 133, 1987.

36. H. Choi, P. Moin, and J. Kim, "Active turbulence control for drag reduction in wall-bounded flows," J. Fluid Mech. 262,75, 1994.

37. Handbuch der Experimental-Physik, vol. 4, p. 1, Akademische Verlag Gessellschaft, Leipzig, 1931.

38. J. Kim, C. Lee, T. Berger,J. Lim, H. Choi Effects of electromagnetic force on near wall turbulence, Bui. Am. Phis. Soc. 40, 1989 (1995)

39. Karman and Rubach, Phys. Zeitschr. (1913), p. 49

40. Kim H. T., Kline S. G., Reynolds W. C. The production of turbulence near a smooth wall in a turbulent boundary layer. J. Fluid Mechanics, vol. 50, part 1, 1971, p.133-160.

41. Leont'ev,Melnikhova and Petrov. Influence of Eddy formation in bottom boundary layer in water mixing. 6-th Int.Symp. on natural and man-made Hazards "Hazards"-96, July 21-26, 1996, TORONTO, CANADA.Thes.S.56.

42. Lesser R. M. Some observations of the velocity profile near the sea floor. Transactions, American Geophysical Union, v. 32, N2, 1951.

43. Melnikhova O.N. and Rykounov L.N. Sand wave formation by stationary waves. Advances in Water Resources, 21,(1998) 193-202.

44. Melnikhova O.N., Petrov V.P. The bottom scour formed by decelerating flow. Abstracts of The 8th meeting of International session "Boundary effects instratified and/or rotating fluids". St. Peterburg. June 6-8, 1995. P. 108-110.

45. P. G. Saffman and G. R. Baker, "Vortex interactions," Annu. Rev. Fluid Mech.11,95, 1979.

46. Lord Rayleigh, "On the instability of jets," Proc. London Math. Soc. 10, 4, 1879.

47. A. L. Bertozzi, M. P. Brenner, T. F. Dupont, andL. P. Kadanoff "Singularities and similarities in interface flows," in Trends and Perspectivesin Applied Mathematics, edited by L. Sirovich -Springer-Verlag Applied Mathematics Series, New York, 1994.

48. D. Moore, "The spontaneous appearance of a singularity in the shape of an evolving vortex sheet," Proc. R. Soc. London Ser. A 365, 1059, 1979.

49. R. Caflisch and O. Orellana, "Singular solutions and ill-posedness of the evolution of vortex sheets," SIAM J. Math. Anal. 20, 293, 1989.

50. D. I. Meiron, G. R. Baker, and S. A. Orszag, "Analytic structure of vortex sheet dynamics. Part 1. Kelvin-Helmholtz instability," J. Fluid Mech. 114, 283, 1982.

51. R. Krasny, "A study of singularity formation in a vortex sheet by the point vortex approximation," J. Fluid Mech. 167,65, 1986.

52. M. Shelley, "A study of singularity formation in vortex sheet motion by a spectrally accurate vortex method," J. Fluid Mech. 244, 493, 1992.

53. D. A. Pugh, "Development of vortex sheets in Boussinesq flows— For-mation of singularities," Ph.D. thesis, Imperial College, London, 1989.

54. G. Baker, R. Caflisch, and M. Siegel, "Singularity formation during the Rayleigh-Taylor instability," J. Fluid Mech. 252,51, 1993.

55. D. D. Joseph, T. Y. J. Liao, and J.-C. Saut, "Kelvin-Helmholtz mecha-nism for side branching in the displacement of light with heavy fluid undergravity," Eur. J. Mech. B Fluids 11, 253, 1992.

56. M. Siegel, "A study of singularity formation in the Kelvin-Helmholtz instability with surface tension," SIAM J. Appl. Math. 55, 865, 1995.

57. G. Baker, "Generalized vortex methods for free-surface flows," in Waves on Fluid Interfaces, edited by R. E. Meyer -Academic Press, New York, 1983.

58. T. Hou and H. Ceniceros, "Convergence of a non-stiff boundary integral method for interfacial flows with surface tension," to appear in Math. Comput.

59. G. R. Baker and M. J. Shelley, "Boundary integral techniques for multi-connected domains," J. Comput. Phys. 64, 112, 1986.

60. R. Krasny, "Desingularization of periodic vortex sheet roll-up," J. Com-put. Phys. 65, 292, 1986.

61. G. R. Baker and M. J. Shelley, "On the connection between thin vortex layers and vortex sheets," J. Fluid Mech. 215, 161, 1990.

62. G. Tryggvason, W. J. A. Dahm, and K. Sbeih, "Fine structure of vortex sheet rollup by viscous and inviscid simulation," J. Fluid Eng. 113,31, 1991.

63. R. Krasny, "Viscous simulation of wake patterns," in Proceedings of the NATO ARW on "Vortex Flows and Related Numerical Methods," edited by J. T. Beale, G.-H. Cottet, and S. Huberson, NATO ASI Ser. 395, 1993, p. 145.

64. Pai Shih I. Viscous Flow Theeory,1956,v.II, 5,4.D.Van Nostrand C omp. Inc.,Princeton

65. Petrov V.P., O.N.Melnikhova, Leont'ev D.I. Influence of the process of eddy formation on a water flow resistence. Int.conference "Dinamics of ocean and atmosphere. Moscow, 1995. P.l 11

66. Prandtl L. and Tietjens O., Fundamentals of Hydro- and Aeromechanics, vol. 2, McGraw-Hill Bok Company, Inc., New York, 1934.

67. Prandtl, The generation of vortices., London (1927)

68. R. Akhavan, W. J. Jung, N. Mangiavacchi Turbulence control in wall-boubded flows by spanwise oscillations. Appl. Science research 51, 299 (1993).

69. R. Almgren, A. Bertozzi, and M. Brenner, "Stable and unstable singulari-ties in the unforced Hele-Shaw cell," Phys. Fluids A 8, 1356, 1996.

70. Rosenhead, Phil. Trans, CCVIII, 275 (1929)

71. Rosenhead, Proc. Roy. Soc. A, CXXIX, 115 (1939)

72. Shapiro A.H. Shape and flow; the fluid dynamics of drag. Garden City, New York: Doubleday and Co, 1961

73. Sternberg R. W. Friction factors in tidal channels with different bed roughness. Marine Geology, 6 (1968), p. 243-260.

74. Synge, Proc. Roy. Irish. Acad., XXXVI, A, 95 (1929)

75. T. Hou, J. Lowengrub, and M. Shelley, "Removing the stiffness from interfacial flows with surface tension," J. Comput. Phys. 114, 312,1994.

76. Karman, Flussigkeits- und Luftwiederstand, Phys. Zeitschr., XIII (1912); Gott. Nachr., (1912).