Закономерности генерации ветровых волн на потоках и метод расчета трансформации волн течениями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.09, кандидат технических наук Теплов, Вячеслав Иванович

• Теплов, Вячеслав Иванович
• кандидат технических наук
• 1984

Заключение диссертации по теме «Гидравлика и инженерная гидрология», Теплов, Вячеслав Иванович

1. Трансформация элементов регулярных волн на течениях за висит от относительной скорости I^L /С^ и направления тече ния, от относительной глубины ЖИДКОСТИ и крутизны /я о /л о исходной волны.2. Зависимость (6.7), предложенная Унна, Джонсоном, Лонге Хиггинсом и Стюартом для расчета трансформации длин и скорос тей волн на течениях в условиях глубокой воды, является наи более приемлемой, поскольку она не противоречит дисперсионно му соотношению (Т = \/ак - KU., что подтверждается, в част ности, экспериментами с ветровыми волнами на течениях. Из зависимости (6,7) следует, что для встречного течения имеется кри тическое значение отношения ^ / С ц = 1/4, при котором: чай соответствует существованию на течении прогрессивных волн, период которых минимален, а форма волн перемещается вверх по течению со скоростью С , равной по абсолютной величине скорости LL течения,

3, В условиях ограниченной глубины п = СОПЗЬ изменение длины волн Л IЛ Q описывается уравнением (6,29), полученном: ранее Е.И.Массом и И.Т.Кантаржи, Накамурой с соавторами из со отношения (3"= vQК t h К п tKU- при условии неизменности пе риода волн. Расчет по (6.29) показывает, что при равных значе ниях \А IС длина волн на глубокой воде изменяется в большей мере, чем длина волн на ограниченной глубине. Имеется два пре дельных случая. При Н/Лц^-оо уравнение (6,29) приводится к виду зависимостей (6,4) и (6.7) для условий глубокой воды. При Н/Л ^ 0 уравнение (6,29) приводится к виду (6,31), справед ливому для условий мелководья,

4, Исходя из уравнений баланса потока волновой энергии (6.15) и (6,44), составленных на основе имеющихся представле ний о переносе энергии волной со скоростью распространения ее формы, получены зависимости для расчета высоты волн на течениях в условиях глубокой воды (6,18) и на ограниченной глубине (6,45) и (6.46), Эти зависимости, в отличие от предшествующих решений, не приводят к неограниченному возрастанию высоты волн на встречных течениях. При критическом значении относительной скорости UL/C ^ = 1/4 в условиях глубокой воды относитель ная высота h Ihi ^ волн, согласно (6,18), равна двум,

5, В случае М =COrist изменение ri / гь^ по выражениям (6.45) и (6.46) на встречных течениях в диапазоне относи тельных глубин 0,2< Н/А^К 1,0 примерно одинаково, а при

0,01 < п / А Q < 0,2 высота волн возрастает в гораздо меньшей мере, чем на глубокой воде ( Н/л =1 ,0). Высота волн на по путных течениях при относительных глубинах H/AQ = 0,6; 0,4;

0,2 изменяется в большей мере, а при Н/А „ = 0,1; 0,01 в меньшей мере, чем на глубокой воде.6. Влияние исходной крутизны Ь.^ JAQ ВОЛН на трансформа цию волн течениями заключается в том, что крутые волны достига ют предельной крутизны 1:8 при меньших значениях Ы JC ^ , чем пологие волны, ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполнены исследования влияния течений на характеристики генерированных на потоке ветровых волн и на трансформацию регу лярных волн при переходе их из зоны стоячей воды в зону постоян ных встречных и попутных течений в условиях глубокой воды и на ограниченной глубине, Изучение ветрового волнения на попутных и встречных течениях проводилось путем лабораторного эксперимента. Полученные экспе риментальные данные позволили установить основные закономернос ти изменения характеристик ветрового волнения в зависимости от скорости и направления течения и скорости волнообразующего вет ра при постоянной глубине воды и протяженности воздутпного пото ка, Наиболее важными результатами являются следующие, Показано, что на встречных течениях образуются ветровые вол ны, длина которых больше, а скорость распространения меньше, чем при равных условиях у волн на стоячей воде. На попутных те чениях длина волн меньше, а скорость больше, чем у волн на стоя чей воде. При этш! период волн на течениях не остается постоян ным, Эти данные в качественном отношении согласуются с данными Френсиса и Даджена, Плейта и Трейвела, Г.Е.Коненковой и К,В.По казеева, Като и Цуруя.Экспериментальные данные, полученные с помощью метода одно временной регистрации всех основных элементов волн (высотыt длины, периода и скорости), позволили установить, что дисперси онное соотношение (D = \/qK ±- WU отображает связь между средними значениями элементов ветровых волн на течениях. Это свидетельствует о возможности использования этого соотношения для инженерных расчетов характеристик ветрового волнения на течениях, а также для расчетов трансформации элементов волн зыби течениями.На основе дисперсионного соотношения получены аналитические зависимости, позволяющие определить степень изменения элементов ветровых волн на течениях по сравнению с теми же элементами на стоячей воде при условии равенства средних длин ( Л = Д^ ), периодов (частот) ( Т^ 'VQ ) ж скоростей распространения волн ( С = С о ) , Установлено, в частности, что изменение скоростей и длин ветровых волн на течениях при условии равенст ва их периодов ( Т = TQ ) выралсается такой же зависимостью, которая была получена ранее Унна, Джонсоном, Лонге-Хиггинсом и Стюартом. Зто свидетельствует о принципиально верной интерпре тации дисперсионного соотношения перечисленными авторами при решении задачи о трансформации волн зыби течениями.С целью установления связи между характеристиками волнения на течениях и скоростью волнообразующего ветра полученные экспериментальные данные рассматривались при условии соблюдения идентичности физических условий на границе раздела вода - воз дух. К числу этих условий можно отнести следующие: равенство линейных размеров волн, обеспечивающее идентичность обтекания волн ветром; равенство частот пульсаций давления воздуха, ин дуцированных волнами; равенство скоростей распространения волн препятствий, определяющих величину относительной скорости вет ра над подстилающей водной поверхностью.При рассмотрении волн равных длин на течениях и на стоячей воде впервые экспериментально удалось обнарзгжить зависимость между характеристиками волнения и скоростью волнообразующего ветра, выражающуюся в следующем: • относительное превышение скорости ветра над скоростью распространения волн (I - С /ZU) остается постоянным при нали чии течений и без течения; • сохраняется постоянство отношения плотности волновой энер гии и плотности энергии ветра, заключенной в единице объема воздуха; • соблюдается пропорциональность между потоком волновой энергии на течении и мощностью ветра в приводном слое; • количество энергии, передаваемой волнам от ветра, пропор ционально произведению квадрата скорости ветра на скорость волн ъи С , что подтверждает теоретические выводы В.М.Макка веева, А.В.Караушева и близко к решению П.Л.Капицы по этому вопросу, Эффективным при изучении генерации ветровых волн на течени ях, также как при отсутствии течения, оказалось использование энергетического метода В.М.Маккавеева. Эксперименты показали, например, что увеличение потока волновой энергии на попутном течении и уменьшение его на встречном течении за счет его ско рости по сравнению с потоком энергии волн такой же длины на стоячей воде требует соответствующего увеличения или уменьше ния притока энергии от ветра к волнам.Системы ветровых волн на попутных и встречных течениях с одинаковой частотой ( (У = (э^ ) или скоростью распространения ( 'с =^^) имеют разную среднюю длину и высоту волн и отлича ются между собой по количеству переносимой волновой энергии на порядок и более. Поэтому частота волн и скорость распростране ния волн-препятствий сами по себе еще не определяют количества энергии, поступающей от ветра к волнам на течении, Кроме сведений о характеристиках поверхностных волн на тече ниях получены новые экспериментальные данные о структуре дрейфовых течений и структуре встречных стоковых течений при нали чии ветра различной скорости. На основании анализа материалов обтюраторной фотосъемки траекторий индикаторов нейтральной пла взгчести разработана классификация видов траекторий движения частиц жидкости в условиях совместного действия ветровых волн и переносных течений. Траектории частиц в этом случае приобретают (в зависимости от соотношения орбитальной скорости ТУ о ^ ско рости и, течения) вцд удлиненных ( it <У^), обыкновенных ( U- - Vg ) или укороченных ( Ы>1)^ ) циклоид, обращенных вершинами к поверхности воды в попутных волнам потоках и верши нами ко дну - во встречных потоках. Геометрически правильные формы траекторий частиц нарушаются в результате изменения раз меров поверхностных волн и пульсаций скорости течения по вели чине и направлению.Изменение характеристик поверхностных волн на течениях обыч но сопровождается перераспределением скоростей переносного те чения по вертикали. Если скорость ветра мала, а скорость встреч ного течения относительно велика, то это приводит лишь к умень шению поверхностных скоростей потока. При обратном соотношении указанных скоростей направление переноса вод может изменяться: в поверхностном слое образуется дрейфовое течение, а в глубин ных слоях - стоковое градиентное течение. Максимум осредненной скорости смещается при этом в глубину потока. Такое перерас пределение скоростей течения соответствует теоретическим пред ставлениям и может быть оценено по методу В,М,Маккавеева и А.В,Караушева. Для соблюдения дисперсионного соотношения вида

0=_ ^ Q у^ ± к U, в таких условиях необходимо учитывать не поверхностную скорость течения, а абсолютную переносную ско рость в слое волновых колебаний.Наибольшие пульсации скорости в условиях ветрового волнения на течениях наблвдаются в приповерхностном слое, причем по аб солютной величине они обычно больше, чем в русловом потоке, С усилением волнения абсолютные предельные значения пульсаций ско рости увеличиваются по всей глубине, а различия между их величи ной в поверхностном и првдонном слоях уменьшаются. При наличии встречного ветра первоначальная структура стокового течения значительно изменяется и приобретает сходство со структурой дрейфового течения по виду траекторий частиц жидкости, эпюре продольной составляющей скорости течения и характеру пульсаций скорости, Впервые предложена кинематическая схема распространения волн на течениях, основанная на анализе движения катящегося без скольжения круга. Полученные с ее помощью выражения для скорос ти распространения волн на течениях в условиях глубокой воды, а также дисперсионное соотношение, совпадают с соответствующими выражениями, полученными Кельвиным и Гельмгольцем для потенци альных волн малой амплитуды на поверхности движущейся жидкости.В случае отсутствия течения скорость распространения волн не зависит от их крутизны, а волновое течение отсутствует. Такой результат совпадает с выводами теории Герстнера и Рэнкина, Радиус катящегося крута, вычисляемый по длине волны, определя ет величину скорости волн относительно водной среды и толщину приповерхностного слоя жидкости, в котором необходимо учиты вать переносную скорость течения при решении задач трансформа ции и генерации волн на течениях. Предложенная схема довольно точно описывает основные черты волн на течениях: трохоидальную форму профиля волн и трохоидальную форму траекторий частиц жидкости; допускает возможность существования волн с крутизной, превышающей 1:7; указывает на наличие качественного скачка в волновом движении жидкости при относительной глубине п /А = 2 Р = ^ '^ ^ ^ другое, Зависимость, предложенная Унна, Джонсоном, Лонге-Хиггинсом и Стюартом для расчета трансформации длин и скоростей волн на те чениях в условиях глубокой воды, является наиболее приемлемой, поскольку она не противоречит соотношению 6" = v Q К ^ Kiyi и подтверждается экспериментами с ветровыми волнами на течени ях, Из указанной зависимости следует, что для встречного тече ния имеется критическое значение отношения ^ / C Q = 1/4, при котором: С^/С, = I/2;/l//1„=c/c„= 1/4; C-W.; C-^=Zu, Этот случай соответствует существованию на течении прогрессив ных волн, период которых минимален, а форма волн перемещается вверх по течению со скоростью С t равной по абсолютной ве личине скорости i^i течения.В случае ограниченной глубины Н = СОП.Ъ'Ь изменение длины волн Л / AQ описывается уравнением, полученным Е.И.Массом и И.Г.Кантаржи, Накамурой с соавторами из соотношения (j'-vQKth.KH 't Ки. * Расчет показывает, что при равных (УС IС Q длина волн в глубоководных условиях изменяется в большей мере, чем длина волн на ограниченной глубине.Исходя из уравнения баланса потока волновой энергии, состав ленного на основе имеющихся в гидромеханике представлений о пе реносе энергии волной со скоростью распространения ее формы, получены зависимости для расчета трансформации высоты волн на течениях в условиях глубокой воды и на ограниченной глубине.Эти зависимости, в отличие от предшествующих решений, не при водят к неограниченному возрастанию высоты волн на встречных течениях. При критическом значении относительной скорости и^/Сд = 1/4 на глубокой воде относительная высота hi/гг^ волн равна двум. Расчет по предложенным зависимостям показывает, что в условиях глубокой воды количество энергии, приходящейся на длину волны, а также поток волновой энергии и поток волново го действия относительно неподвижной системы отсчета сохраняют ся неизменными.Результаты расчетов трансформации элементов волн зыби на те чениях подтверждаются имеющимися экспериментальными данными отечественных и зарубежных авторов,