У дев'ятому розділі розглядаються геометричні, кінематичні і динамічні характеристики білякритичних течій в просторових умовах. Враховуючи масове застосування шлюзів-регуляторів з клапанними затворами на осушувальних і осушувально-зволожувальних системах України та випадки руйнування кріплення і розмиви в нижньому б'єфі таких та подібних низьконапірних водоскидних споруд, на замовлення Держводгоспу України були проведені дослідження роботи зазначених шлюзів-регуляторів в натурних умовах. Було досліджено 58 таких споруд, побудованих на 12 гідромеліоративних системах в 4 областях України. Істотні руйнування та розмиви нижнього б'єфу зафіксовані на ряді шлюзів-регуляторів систем Ірпінь, Здвиж, Стубла, Іква, Івотка, Остер. Проведені в натурних умовах дослідження показали, що однією з причин згаданих руйнувань та розмивів є виникнення білякритичних течій з хвилястою поверхнею, коли утворювані хвилі розповсюджуються від споруди вниз за течією на великі відстані і спричиняють дію додаткових хвильових навантажень на елементи споруд та відвідне русло.

Натурні дослідження гідравлічних режимів проведені також в дериваційному каналі Костянтинівської ГЕС на р. Південний Буг в Миколаївській області. Цими дослідженнями виявлено, що в дериваційному каналі при наявності відповідних умов утворюються такі білякритичні течії, як кноїдальні хвилі та безстрибкове вальцеве спряження б'єфів. Саме виникненням згаданих хвиль можна пояснити руйнування плит кріплення каналу, що спостерігалося в 70-і роки минулого сторіччя і вимагало повного виключення ГЕС із роботи та проведення відповідних ремонтних робіт.

Зіставлення теоретичних значень другої спряженої глибини h2, знайдених за формулою (18) та за відомою залежністю

, (30)

а також максимальної глибини hв, підрахованих за формулами (17) і (25), з експериментальними даними, отриманими в натурних умовах дериваційного каналу Костянтинівської ГЕС, дало досить близькі результати: розходження становить (-12,97 - +4,00)%. Це свідчить про можливість використання вказаних теоретичних залежностей в натурних умовах. Для отримання більш точних результатів необхідно враховувати просторовий характер розглядуваних явищ.

Лабораторні гідравлічні дослідження роботи одно- та двопрогінних шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, проводилися на експериментальних установках №№2-4. Просторові моделі будувалися у відповідності з типовими проектами зазначених споруд, розробленими інститутом “Укрводпроект” (м. Київ). Для вивчення розподілу осередненого тиску на дно по довжині потоку на установках №3 (по осі лотока) і №4 (по осі лівого прогону) було встановлено відповідно 82 і 80 донних п'єзометрів, приймальні отвори яких розміщувалися з інтервалом 5,0 см. Дослідження на цих моделях проводилися для різноманітних умов: відношення ширини відвідного каналу знизу до ширини споруди між лицевими гранями стояків становило 1,0-1,9, в нижньому б'єфі шлюзів-регуляторів було використано 10 типів гасителів надлишкової енергії потоку у різних комбінаціях, кут нахилу клапанних затворів до горизонту дорівнював 0-220, причому приймалася як однакова, так і різна висота підняття затворів у сусідніх прогонах, характеристики потоку змінювалися в таких межах - витрата Q=(21,93-100,00) л/с, число Фруда в стисненому перерізі Fr1=0,06-7,90, коефіцієнт негідростатичності в цьому ж перерізі s1=1,00-1,38.

Проведені лабораторні експерименти підтвердили факт існування білякритичних течій в нижньому б'єфі шлюзів-регуліторів. При цьому утворювалися такі типи зазначених течій: безстрибкове вальцеве спряження б'єфів, кноїдальні хвилі, хвилястий стрибок, стрибок з поверхневим вальцем (досконалий стрибок). Характерно, що перехід від явищ, які утворюються при мінімальних глибинах нижнього б'єфу до явищ з максимальними глибинами нижнього б'єфу (і навпаки) відбувається через зону, що відповідає існуванню білякритичних течій з хвилеподібною поверхнею. Подібна особливість прослідковується також і в дослідах М.М.Біляшевського, М.Г. Пивовара, О.Я. Олійника, І.І. Калантиренка при вивченні роботи низьконапірних водозливних гребель різних типів.

Розрахунки теоретичних значень другої спряженої глибини і максимальної глибини досліджуваних явищ здійснювалися відповідно за формулами (18), (30) і (17), (25). Виявилося, що краще відповідають експериментальним даним відповідно формули (18) і (17), хоча відхилення теоретичних значень від експериментальних є досить значним і при числах Фруда Fr1<4,0 воно становить (-26,17 - +21,24)% для глибини h2 і (-31,0 - +23,0)% для глибини hв. Це говорить про необхідність врахування просторового фактору при розгляді білякритичних течій, утворюваних в нижньому б'єфі шлюзів-регуляторів.

Вивчення кінематичних і динамічних характеристик потоку показало, що утворювані в нижньому б'єфі шлюзів-регуляторів хвилеподібні білякритичні течії спричиняють хвилеподібний характер зміни швидкостей та тисків по довжині потоку, причому довжина ділянки хвилеутворення, яка в просторових умовах доходить до значень (40-50) , може перевищувати довжину кріплення нижнього б'єфу. Це є однією з причин руйнувань кріплення цих споруд та розмивів відвідного русла. При виникненні в нижньому б'єфі шлюзів-регуляторів кноїдальних хвиль з числами Фруда значення дефіциту тиску є відносно невеликими і цим дефіцитом можна нехтувати. При утворенні в нижньому б'єфі розглядуваних споруд кноїдальних хвиль з числами Фруда та хвилястого стрибка значення дефіциту тиску істотно збільшуються і цей дефіцит необхідно враховувати в практичних розрахунках. Отримані результати дозволяють зробити висновок, що робота шлюзів-регуляторів в умовах формування хвилеподібних білякритичних течій повинна враховуватися при проектуванні та експлуатації цих споруд як окремий розрахунковий випадок.

Виконані дослідження показали, що типові проекти шлюзів-регуляторів у випадках утворення хвилеподібних білякритичних течій не забезпечують безаварійної роботи цих споруд. На основі отриманих результатів був розроблений метод розрахунків та проектування різних типів гасителів енергії, який дозволяє звести до мінімуму можливість виникнення хвилеподібних білякритичних течій в нижньому б'єфі шлюзів-регуляторів та значно поліпшити умови їх роботи.

Висновки

1.Існуючі методики розрахунків білякритичних течій відносяться до окремих типів явищ або окремих типів споруд, не узгоджені між собою, дають суперечливі результати і не охоплюють всього класу розглядуваних явищ. Відсутність загальної теорії і надійних методик розрахунків білякритичних течій є причиною того, що характерні особливості цих течій часто не враховуються в процесі проектування і експлуатації гідротехнічних об'єктів, внаслідок чого відбуваються випадки руйнувань та аварій споруд, працюючих в умовах виникнення білякритичних режимів.

2.Побудована математична модель усталених і неусталених перманентних хвилеподібних білякритичних течій, яка враховує викривлення потоку у вертикальній площині, причому характеристики цих течій виражені через відповідні параметри потоку в початковому перерізі розглядуваних явищ. Доведена адекватність розробленої математичної моделі реальним явищам.

3.На основі запропонованої математичної моделі виведено узагальнене диференціальне рівняння профілю вільної поверхні хвилеподібних білякритичних течій, отримані його загальний і частинний (солітонний) розв'язки, які враховують можливе відхилення від гідростатичного розподілу тиску в початковому перерізі цих течій.

4.Визначені умови існування кноїдальних хвиль та самотньої хвилі, як умови існування загального і солітонного розв'язків узагальненого диференціального рівняння профілю вільної поверхні хвилеподібних білякритичних течій. Встановлено, що кноїдальні хвилі можуть існувати в спокійних, критичних і бурхливих потоках, причому в початковому перерізі цих хвиль потік може бути тільки ввігнутим, а розподіл тиску по глибині в цьому перерізі не підпорядковується гідростатичному закону. Самотня хвиля може існувати лише в бурхливих потоках з гідростатичним розподілом тиску в її початковому перерізі.

5.Розроблені теоретичні основи білякритичних течій рідини з вільною поверхнею дозволяють з єдиних позицій розглядати велику групу гідравлічних явищ, до яких віднесені як нерухомі в просторі явища з усталеним в часі рухом рідини, так і рухомі з неусталеним перманентним рухом, утворювані в спокійних, критичних і бурхливих потоках з характерними глибинами чи швидкостями, близькими до критичних значень.

6.Розроблено метод розрахунків профілю вільної поверхні кноїдальних хвиль, самотньої і одиночної хвилі, хвилястого стрибка і групових хвиль переміщення, який враховує можливе відхилення від гідростатичного закону розподілу тиску в їх початковому перерізі. Виявлені межі застосування математичної моделі хвилястого стрибка і групи хвиль переміщення, у вигляді сукупності самотньої і кноїдальних хвиль, а також межі можливого використання теорії потенціального руху при розгляді білякритичних течій.

7.Запропоновано і використано оригінальний метод вивчення питання про подібність турбулентних потоків з осередненими характеристиками, змодельованими за критеріями Рейнольдса чи Фруда, оснований на спектральному розкладанні пульсаційної швидкості та аналізі вкладу в числа Кармана порівнюваних натурного і модельного потоків великих, середніх та дрібних вихорів. Доведено, що при моделюванні турбулентних потоків за критерієм Рейнольдса їх пульсаційні характеристики моделюються повністю, а при моделюванні цих потоків за критерієм Фруда пульсаційні характеристики натурного потоку перевищують відповідні характеристики модельного потоку, перераховані для натурних умов. При цьому для останнього випадку впливом масштабу моделі на відношення спряжених глибин білякритичних течій можна нехтувати.

8.Показана неможливість використання афінного моделювання для визначення повного комплексу характеристик білякритичних течій з хвилястою поверхнею та визначена мінімальна глибина потоку при гідравлічному моделюванні хвилеподібних явищ.

9.Розроблена і апробована нова методика експериментального вивчення гідравлічних опорів хвилеподібних білякритичних течій, яка основана на використанні диференціального рівняння Серра питомої енергії перерізу для різкозмінного руху та проведенні вимірювальних створів через вершини і підошви хвиль. Виявлено, що осереднені значення коефіцієнта гідравлічного тертя для різкозмінного руху з утворенням кноїдальних хвиль до 35%, а локальні значення цього коефіцієнта - до 75% перевищують відповідні значення коефіцієнта гідравлічного тертя для плавнозмінного руху.

10.Експериментальні дослідження білякритичних течій з хвилястою поверхнею показали, що зміни максимальної актуальної придонної швидкості, інтенсивності турбулентності, п'єзометричного тиску на дно та інших характеристик по довжині потоку мають хвилеподібний характер з чергуванням максимальних і мінімальних значень, що є однією з причин руйнування кріплення споруд та розмивів русел. Робота гідротехнічних споруд в умовах виникнення хвилеподібних білякритичних течій повинна врахуватися при проектуванні та експлуатації таких споруд як окремий розрахунковий випадок.

11.Типові проекти шлюзів-регуляторів з клапанними затворами не забезпечують безаварійної роботи цих споруд. В процесі експлуатації таких регуляторів при переході від режимів з малими глибинами до режимів з великими глибинами і навпаки в нижньому б'єфі утворюються білякритичні течії з хвилястою поверхнею.

12.Застосування розробленого методу розрахунків та проектування нижнього б'єфу розглядуваних шлюзів-регуляторів з гасителями рекомендованої конструкції дозволяє звести до мінімуму можливість виникнення хвилеподібних білякритичних течій в нижньому б'єфі цих споруд та значно поліпшити умови їх роботи.

Список опублікованих праць за темою дисертації та особистий внесок в них автора

1. Рекомендации по гидравлическому расчету шлюзов - регуляторов, оборудованных клапанными затворами, с учетом особенностей околокритических течений / Рябенко А.А. (общ. ред), Ловцов В.Б., Данильчук В.Н., Клюха О.А. / Госводхоз Украины, Укр. ин - т инж. водн. хоз - ва. - Киев - Ровно, 1993. - 77с. (Автором сформована наукова направленість, узагальнені результати досліджень, розроблена теоретична частина та методологія розрахунків, здійснене загальне редагування).

2. Рябенко А.А. Экспериментальные исследования сопряженных глубин околокритических течений // Гидравлика и гидротехника. - К.: Техника. -1977. - Вып. 25. - С. 70 - 78.

3. Рябенко А.А. Максимальная глубина околокритических течений с волнообразной поверхностью /Гидравлика и гидротехника. - К.: Техника, 1985. - Вып. 40. - С. 44 - 50.

4. Рябенко А.А. Экспериментальные исследования максимальной глубины околокритических течений с волнообразной поверхностью // Гидравлика и гилротехника. - К.: Техніка. - 1985. - Вып. 41. - С. 45 - 50.

5. Рябенко А.А Экспериментальное изучение околокритических течений, образующихся в нижнем бьефе открытых регуляторов // Гидромелиорация и гидротехническое строительство. Львов : Вища школа. - 1988. - Вып. 16. - С. 33 - 38.

6. Рябенко А.А., Величенко В.А. Особонности гидротехнического строительства в Тунисе // Гидротехническое строительство. - 1988. - №3. - С. 49 - 54. (Автором проаналізовано, систематизовано і узагальнено інформацію про конструктивні особливості гідровузлів і використовуваних на них типів гідротехнічних споруд, а також про гідравлічні і статичні умови їх роботи).

7. Рябенко А.А. Условия существования уединенной волны /Гидравлика и гидротехника. - К.: Техніка, 1989. - Вып. 49. - С. 35 - 41.

8. Рябенко А.А., Лапюк А.А., Шнайдер А.Э. Изучение околокритических течений в деривационном канале Константиновской ГЭС // Гидромелиорация и гидротехническое строительство. - Львов : Світ.-1990.-Вып. 18.-С. 54 - 58. (Автором розроблена програма і методика досліджень, здійснено аналіз і узагальнення отриманих даних).

9. Рябенко А.А. Условия существования волнистого прыжка // Гидротехническое строительство. - 1990. - №12. - С. 29 - 34.

10. Рябенко А.А. О подобии турбулентных потоков, смоделированных по Рейнольдсу или Фруду /Гидромеханика. - К.: Наукова думка, 1991. - Вып.63. - С. 20 - 28.

11. Рябенко А.А. Условия существования кноидальных волн /Гидравлика и гидротехника. - К.: Техніка, 1991. - Вып. 53. - С. 3 - 9.

12. Рябенко А.А. Типы, особенности и условия существования околокритических течений // Гидротехническое строительство. - 1992. - №5. - С. 9 - 13.

13. Рябенко А.А., Ловцов В.Б., Забулонский А.Ф., Компанец А.Н. Опыт эксплуатации русловых регуляторов (на примере Ирпенской и Здвижской осушительно - увлажнительных систем) // Мелиорация и водное хозяйство. - 1993. - №3. - С. 31 - 34. (Автором проаналізовано дані про роботу і стан шлюзів-регуляторів, розроблено методику натурних і лабораторних досліджень, на основі яких встановлено причини руйнувань та розмивів відвідного русла).

14. Рябенко О.А. Проблеми моделювання білякритичних течій /Водне господарство України. Спецвипуск, 1997. - С. 24 - 28.

15. Рябенко О.А. Деякі проблеми моделювання гідравлічних явищ /Збірник наукових статей "Актуальні проблеми водного господарства". - Рівне. - 1997. - С. 94 - 97.

16. Рябенко А.А. О представлении волнистого прыжка и группы волн перемещения как совокупности уединенной и кноидальных волн // Гидротехническое строительство. - 1998. - №5. - С. 9 - 14.

17. Рябенко О.А. Солітонні розв'язки деяких математичних моделей хвилеподібних білякритичних течій / Вісник РДТУ, Зб. наук. праць. - В. 2, ч. 1. - Рівне, 1999. - С. 200 -204.

18. Рябенко О.А. Профіль вільної поверхні хвилеподібних білякритичних течій та солітонні розв'язки деяких диференціальних рівнянь / Прикладна гідромеханіка. - НАН України, Інститут гідромеханіки. - Т.1. (73), №4, 1999. - С. 26 - 41.

19. Рябенко О.А. Особливості білякритичних течій та їх вплив на роботу гідротехнічних споруд // Водне господарство України.-№1-2, 2000.-С. 31 -33.

20. Рябенко О.А. Експериментальні дослідження гідравлічних опорів білякритичних течій / Вісник РДТУ, Зб. наук. праць. - В. 3 (5) , ч. 1. - Рівне, 2000. - С. 159 - 165.

21. Рябенко О.А. Особливості затухання інтенсивності турбулентності потоку по довжині хвилеподібних білякритичних течій // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво, Зб. наук. праць. - В. 25. - Рівне, 2000. - С. 78 - 85.

22. Рябенко О.А., Клюха О.О., Чернобиль О.Є. Вибір оптимальної конструкції нижнього б'єфу шлюзів-регуляторів в умовах утворення білякритичних течій/Вісник РДТУ, вип.4(11). - Рівне, 2001. - С.98-105. (Автором узагальнено дані лабораторних і натурних досліджень шлюзів-регуляторів з клапанними затворами, на основі чого розроблені рекомендації по вибору оптимальної конструкції нижнього б'єфу цих споруд).

23. Рябенко А.А. Гидравлические сопротивления околокритических течений с волнообразной поверхностью /Гидротехническое строительство. - 2002. - №4. - С. 27 - 37.

24. Патент на винахід “Шлюз - регулятор” / Рябенко О.А., Ловцов В.Б., Данильчук В.М., Клюха О.О. / Україна, Держпатент. - 1997. - №21034А, Е 02 В 8/06, 7.10.1997. - 1с. (Автором узагальнено результати лабораторних досліджень однопрогінних шлюзів-регуляторів з клапанними затворами, на основі чого розроблена оригінальна конструкція гасителів енергії).

25. Рябенко А.А., Дупляк В.Д., Дадиани М.К., Писнячевский И.А., Забулонский А.Ф., Михайловский В.А. Шлюзы-регуляторы с клапанными затворами на осушительных и осушительно-увлажнительных системах / Укргипроводхоз, УИИВХ. - Киев. - Ровно. - 1988. - 6с. (Автором проаналізовані гідравлічні умови роботи шлюзів-регуляторів з клапанними затворами та проведені натурні і лабораторні дослідження таких споруд).

26. Дупляк В.Д., Рябенко А.А., Маркина Е.В. Аварийные водосбросы мелиоративных систем / Укргипроводхоз, УИИВХ. - К. - 1988. - 6 с. (Автором проаналізовані гідравлічні режими в водопровідних трубах водоскидів та можливості виникнення в них білякритичних течій).

27. Алиев К.А., Гнатюк Ю.К., Вышинский Л.А., Рябенко А.А. Особенности конструкции Перекопского канала / Укргипроводхоз, УИИВХ.-К.-1988. - 4 с. (Автором проаналізовані гідравлічні умови роботи гідротехнічних споруд на каналі та можливості виникнення на швидкотоці білякритичних течій).

28. Рябенко А.А. Условия существования околокритических течений /Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Гидравлика гидротехнических сооружений. - СПб.: Изд-во ВНИИГ, 1993. - С. 65 - 67.

29. Рябенко А.А., Ловцов В.Б., Данильчук В.Н., Головкин В.А. Лабораторные исследования околокритических течений в нижнем бьефе открытых регуляторов с клапанными затворами / Тезисы докладов НТК “Новые технические решения при производстве мелиоративных работ”. - Ровно. - 1992. - С. 130 - 131. (Автором розроблена методика лабораторних гідравлічних досліджень та проаналізовані отримані результати).

30. Рябенко О.А., Штурхецький С.В. Білякритичні течії в безнапірних тунелях / Збірник статей за матеріалами ІІІ НТК професорсько - викладацького складу, аспірантів та студентів УДАВГ. - Рівне. - 1997. - С. 59 - 60. (Автором зібрана і проаналізована і узагальнена інформація про безнапірні тунелі, вплив білякритичних течій на умови їх роботи).

31. Рябенко А.А. Изучение условий существования уединенной волны /Тезисы конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве". - Новочеркасск, 1989. - С. 165 - 167.

32. Рябенко А.А. О проектировании открытых регуляторов с учетом особенностей околокритических течений / Тезисы докладов Республиканской НТК “Достижения НТП - в мелиорацию и водное хозяйство“. - Ровно. - 1987. - Ч.ІІІ. - С. 11 - 12.

33. Ryabenko A.A. Conditions Favorable to the Existence of an Undulating Jump // Hudrotechnical Constraction/Translated from russian. - Consultanst Bureau, New - York. - Desember 1990 - June 1991. - Vol.24, №12. - P.762 - 770.

34. Ryabenko A.A. Types, Caracteristics and Conditions of Existence of Near - Critical Flows // Hydrotechnical Construction. Translated from russian. - Consultants Bureau, New - York. - May - November 1992. - Vol.26, №5. - P.269 - 275.

35. Ryabenko A.A. Representation of a Wawe Jump and Group of Translation Wawes as a Combination of a Solitary Wawe and Knoidal Wawes // Hydrotechnical Construction.Translated from russian. - Consultants Bureau. - New - York. - May - November 1998. - Vol.32, №5. - P.246 - 252.

36. Ryabenko A.A. Free Surface Profil of Wavelike Near-Critical Flows and Solitary Solutions of some Differential Equations//Int. Journ. Fluid Mech. Research. - 2001. - Vol. 28, No 6. - P.834-856.

Анотація

Рябенко О.А “Теоретичні основи і методи розрахунків білякритичних течій рідини з вільною поверхнею”, - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія. - Український державний університет водного господарства та природокористування, Рівне, 2003.

Дисертація присвячена проблемі створення теоретичних основ і практичних методів розрахунків білякритичних течій рідини з вільною поверхнею. Розроблена математична модель хвилеподібних білякритичних течій, яка враховує можливе викривлення у вертикальній площині елементарних струминок в початковому перерізі розглядуваних явищ, встановлена адекватність цієї моделі реальним явищам. Виведено та проінтегровано узагальнене диференціальне рівняння профілю вільної поверхні хвилеподібних білякритичних течій. Доведено факт існування додаткових гідравлічних опорів цих течій. Встановлена принципова різниця в моделюванні турбулентних потоків за критеріями Рейнольдса і Фруда. На основі комплексних теоретичних та експериментальних досліджень розроблені методи розрахунків основних характеристик білякритичних течій та практичні рекомендації для гідравлічного розрахунку шлюзів-регуляторів.

Ключові слова: білякритичні течії, кноїдальні хвилі, самотня хвиля, солітон, математичні моделі, методи розрахунків, шлюзи-регулятори, нижній б'єф, гасителі.

Аннотация

Рябенко А.А. Теоретические основы и методы расчетов околокритических течений жидкости со свободной поверхностью. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. - Украинский государственный университет водного хозяйства и природопользования, Ровно, 2003.

В диссертационной работе рассматривается проблема создания теоретических основ и практических методов расчетов околокритических течений жидкости со свободной поверхностью, возникающих в открытых руслах, закрытых трубах, галереях, туннелях, в пределах различных типов гидротехнических сооружений в случаях, когда характерные глубины и скорости потока оказываются близкими к критическим значениям. В диссертации разработаны общие положения теории околокритических течений жидкости со свободной поверхностью - даны определения и классификация, выявлены особенности, положительные и отрицательные качества, определены основные случаи возникновения и т.п. При этом с единых позиций рассматривается большая группа гидравлических явлений (16 узловых типов), к которым отнесены как неподвижные в пространстве явления с установившимся во времени движением жидкости, так и перемещающиеся с неустановившимся перманентным движением, образующиеся в спокойных, критических и бурных потоках.

Теоретические основы рассматриваемого класса гидравлических явлений включают разработку и последующее использование математической модели волнообразных околокритических течений, которая учитывает искривление элементарных струек в вертикальной плоскости, а соответственно и отклонение от гидростатического закона распределения давления по глубине, причем характеристики этих течений в явной форме выражены через параметры потока в начальном сечении рассматриваемых явлений. Специальной серией экспериментов с помощью критериев Кохрена, Фишера и Стьюдента показано, что исследуемые величины подчиняются нормальному закону распределения случайных величин, уровень воспроизводимости характеристик потока на используемой экспериментальной установке является достаточно высоким, а построенная математическая модель адекватная реальным явлениям.

На базе разработанной математической модели выведено и проинтегрировано обобщенное дифференциальное уравнение профиля свободной поверхности волнообразных околокритических течений, получено общее и частное (солитонное) решения этого уравнения. Установлено, что кноидальные волны могут существовать в спокойных, критических и бурных потоках, причем в начальном сечении этих волн поток может быть только вогнутым, а распределение давления по глубине в этом сечении не соответствует гидростатическому закону. Уединенная волна может существовать лишь в бурных потоках с гидростатическим распределением давления в ее начальном сечении.

Основываясь на спектральном разложении пульсационной скорости и анализе вклада в числа Кармана больших, средних и мелких вихрей, теоретически доказано, что при моделировании турбулентных потоков по критерию Рейнольдса их пульсационные характеристики моделируются полностью, а при моделировании этих потоков по критерию Фруда пульсационные характеристики натурного потока превышают соответствующие характеристики модельного потока, пересчитанные для натурных условий. Показана невозможность использования моделирования на искаженных моделях для нахождения полного комплекса характеристик околокритических течений с волнообразной поверхностью, а также определена минимальная глубина потока при гидравлическом моделировании волнообразных явлений Экспериментальным путем доказано, что гидравлические сопротивления волнообразных околокритических течений существенно превышают соответствующие значения для плавноизменяющегося движения. Установлены пределы возможного использования теории потенциального движения при теоретическом изучении околокритических течений, а также пределы применения математической модели волнистого прыжка и группы волн перемещения как совокупности уединенной и кноидальных волн.

Экспериментальными исследованиями показано, что изменения максимальной актуальной придонной скорости, интенсивности турбулентности, пьезометрического давления на дно и других характеристик по длине околокритических течений с волнистой поверхностью имеют волнообразный характер, что является одной из причин разрушения крепления сооружений и размывов русел. Сделан вывод о необходимости учета работы гидротехнических сооружений в условиях образования волнообразных околокритических течений как отдельного расчетного случая. На основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методы расчетов основных характеристик околокритических течений и практические рекомендации для гидравлического расчета шлюзов-регуляторов.

Ключевые слова: околокритические течения, кноидальные волны, уединенная волна, солитон, математические модели, методы расчетов, шлюзы-регуляторы, нижний бьеф, гасители.

Summary

Ryabenko O.A. Theoretical principles and methods of calculating near-critical flows of the liquid with free surface, - Manuscript.

Thesis for the academic degree of doctor of technical sciences in speciality 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology. - Ukrainian state university of water management and nature resources application, Rivne, 2003.

The thesis is devoted to the problem of creating theoretical principles and practical methods of calculating near-critical flows of the liquid with free surface. Mathematical model is developed of wavelike near-critical flows which accounts for the possible curvature in the vertical areca of elementary streams at the initial cross-section of phenomena considered. The adequacy is established of this model to real phenomena. The differential generalized equation is derived of wavelike near-critical flows. The fact is proven of the existence of additional hydraulic resistances of these flows. The essential difference is determined in modeling turbulent flows by Reynolds and Froude criteria. On the basis of comprehensive theoretical and experimental research methods were developed of calculating major parameters of near-critical flows and recommendations for the hydraulic estimate of regulating sluices.

Key words: near-critical flows, cnoidal waves, solitary wave, soliton, mathematical models, calculation methods, regulating sluices, downstream, dissipators.

Размещено на Allbest.ru