Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 532.526; 621.175.3

ПРОПУСКНА СПРОМОЖНІСТЬ ШИРОКИХ ВІДКРИТИХ ВОДОТОКІВ З ГНУЧКОЮ РОСЛИННІСТЮ

Спеціальність 05.23.16 - гідравліка і інженерна гідрологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ІСАКІЄВА ОЛЬГА ГЕННАДІЇВНА

Харків 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: Доктор технічних наук, професор Нетюхайло Анатолій Петрович Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України, професор кафедри “Водопостачання, каналізація і гідравліка”

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Савенко В'ячеслав Якович, Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою.

Кандидат технічних наук Тертичний Олег Леонідович, Український науково-дослідний інститут екологічних проблем (УкрНДІЕП) Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, провідний науковий співробітник лабораторії гідравлічних та гідрологічних досліджень.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра гідравліки та водовідведення.

Захист відбудеться “2” червня 2004 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40

Автореферат розісланий “30” квітня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради М.І.Колотило

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сучасному етапі проблема водотоків (каналів та малих рік) є актуальною з точки зору багатьох водогосподарчих задач, у тому числі енергозбереження та розробки технологій, що забезпечують рішення екологічних питань. Нерівномірність розподілення водних ресурсів потребує їх перерозподілення для ліквідації дефіциту та забезпечення потреб у воді населення, промисловості та сільського господарства. У залежності від призначення до якості води водотоків пред'являються відповідні вимоги. Тому при перерозподіленні водних ресурсів необхідні як точні розрахунки витрат води, що транспортується, так і характеристика її якості у відповідності до вимог водоспоживачів.

Спостереження за малими річками та каналами у нашій країні і за кордоном показує, що в процесі їх експлуатації виникає багато проблем, одна з яких - заростання русел водною рослинністю.

При наявності у каналі водної рослинності зменшується його пропускна спроможність, що потребує додаткових енергетичних витрат на транспортування води. Розклад рослинності приводить до погіршення якості води. Разом з тим, водна рослинність - це обов'язковий компонент екосистеми, якою є водотік. Усі компоненти екосистеми тісно пов'язані між собою, тому необхідно комплексно підходити до рішення даної проблеми.

Для рішення задач, пов'язаних з експлуатацією водотоків з водною рослинністю, необхідно мати інформацію про особливості їх гідравліки.

Існуючі математичні моделі, що описують взаємодію турбулентних потоків у водотоках з рослинністю, яка впливає як на пропускну спроможність водотоків, так і на якість води, у ряді випадків дають не адекватні результати щодо даних експерименту по всій області каналу. Гнучка еластична водна рослинність створює додаткові особливості умов обтікання цих перешкод однорідним турбулентним потоком у широких відкритих водотоках.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні дослідження, приведені в дисертаційній роботі, були використані при виконанні держбюджетної науково-дослідної роботи: “Розробка нових технологій очистки стічних вод та захисту будівельних конструкцій споруд в системах водопостачання коксохімічних виробництв”, реєстраційний номер - 0103U003445.

Мета дисертаційної роботи полягає у розробці розрахункової залежності для визначення пропускної спроможності широкого відкритого водотоку з гнучкою рослинністю.

Об'єкт дослідження - відкриті широкі водотоки з гнучкою рослинністю.

Предмет дослідження - пропускна спроможність відкритих водотоків з гнучкою рослинністю.

Методи дослідження: поставлені задачі вирішувались шляхом теоретичного дослідження процесів обтікання гнучкої рослинності турбулентним потоком, з урахуванням факторів, що впливають на вертикальне розподілення швидкостей по глибині потоку. Використано метод аналізу розмірностей для опису кінематичної структури потоку для широких відкритих водотоків з гнучкою рослинністю. Надійність результатів, які одержані при використанні математичної моделі, перевірена за допомогою методів математичної статистики шляхом зіставлення з даними натурних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблена двошарова модель руху рідини у потоці з гнучкою рослинністю, що дає можливість розрахувати пропускну спроможність каналів та малих річок. Ця двошарова модель відрізняється від існуючих моделей тим, що вона враховує сумісну взаємодію турбулентного потоку з рослинністю як над рослинним шаром, так і в його межах. Модель дозволяє врахувати вплив багатьох факторів на розподілення профілю швидкостей, а також усунути ряд недоліків відомих моделей.

2. Досліджена взаємодія турбулентного потоку з гнучкою донною рослинністю з урахуванням розподілення параметрів течії у в'язкому підшарі та турбулентному ядрі.

3. Використані параметри, що характеризують умови взаємодії турбулентного потоку з рослинним шаром.

4. Розроблені розрахункові залежності, що описують кінематичну структуру течій відкритих водотоків з гнучкою рослинністю та їх пропускну спроможність.

5. На основі числової реалізації запропонованої двошарової моделі одержана залежність коефіцієнту гідравлічного опору як функції від числа Рейнольдса і параметру шорсткості.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблена залежність вертикального профілю швидкості може використовуватись при гідравлічних розрахунках водотоків з гнучкою рослинністю у вигляді слабопроникної (непроникної) шорсткості.

2. На основі числової реалізації математичної моделі одержані розрахункові залежності, що дозволяють визначити вертикальні профілі швидкостей у пористому (рослинному) шарі.

3. Використовуючи запропоновану математичну модель, можна прогнозувати пропускну спроможність водотоків, що заросли, а також шляхи поліпшення ефективності їх роботи.

Особистий внесок автора.

1. Одержано розрахункові залежності вертикального розподілення поздовжньої швидкості по глибині водного потоку з гнучкою рослинністю.

2. Одержано залежності для коефіцієнтів гідравлічного опору у вигляді функції від числа Рейнольдса та параметру шорсткості, а також витратні характеристики водотоків, що визначають їх пропускну спроможність.

3. Одержані гідравлічні залежності для розрахунку пропускної спроможності у рослинному шарі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (1999-2004 р.р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 друкованих робіт у фахових виданнях, у тому числі 2 без співавторів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 133 сторінки, 40 ілюстрацій і 4 таблиці по тексту, додаток на 23 сторінках, 124 використаних джерела.

Основний зміст роботи

потік рідина турбулентний річка

У вступі обґрунтована актуальність теми, вказана її наукова новизна і практична цінність, сформульовані мета і основні задачі досліджень, показаний зв'язок з науковими програмами і планами.

У першому розділі розглянуті питання, що виникають при проектуванні та експлуатації водотоків (каналів і малих річок), відзначено, що однією з найважливіших проблем є заростання водотоків. Коротко проаналізовані різновиди водної рослинності та умови інтенсивності її росту.

Також поданий аналіз питань гідравлічних розрахунків широких відкритих водотоків, розглянуті існуючі моделі вертикальних профілів осередненої швидкості по глибині потоку. Роботи шкіл Л.Прандтля, А.Н.Колмогорова, Д.Тейлора, Ю.Ротта, І.К.Нікітіна та ін. були спрямовані на розробку моделей з одержанням результатів, адекватних даним експериментів.

У кінечному результаті необхідно розрахувати гідравлічні параметри, кінематичну структуру течій та середньовитратні характеристики.

За результатами огляду сучасного стану питання зроблено висновок, що при вивченні турбулентних течій виникає проблема замикання нелінійних рівнянь осередненого руху в часткових похідних.

Проблеми замикання системи і спроби отримати відповідність експериментальних результатів і рішення ряду задач обумовили появу багатьох полуемпіричних гіпотез, які відобразили складність та численність турбулентних потоків. Дуже різний характер течій у пристіночній і зовнішній областях зі своїми специфічними масштабами ще більш ускладнили цю задачу і привели до часткового використання цих гіпотез.

Проблема побудови математичної моделі для вертикального профілю осередненої швидкості була розглянута в роботах Л.Прандтля, Т.Кармана, А.С.Моніна, А.М.Яглома, А.С.Гіневського, К.К.Федяєвського, І.К.Нікітіна, А.Дж.Рейнольда, І.П.Гінзбурга, Є.О.Гаєва та багатьох інших відомих вчених. При розробці математичної моделі широко використовуються теорії подібності і розмірностей, що розроблені А.Н.Колмогоровим, М.Д.Міліонщиковим, Л.Г.Лойцянським, А.С.Моніним, А.С.Гіневським, Г.І.Баренблаттом.

Щодо турбулентного пограничного шару Л.Прандтль запропонував таку залежність^*:

(1)

При цьому вважають, що товщина пограничного шару дуже мала. У формулі (1) z - вертикальна координата (відстань від стінки), z₀ - еквівалентна пісочна шорсткість; - постійна Кармана, дорівнює 0,4; - універсальна постійна.

Із залежності (1) видно, що при z> , а при малих (<<z₀) формула дає нефізичні результати.

Проаналізована непостійність напружень по глибині водотоку у відповідності до багаточисленних експериментальних даних, у т.ч. А.С.Моніна, А.Д.Альтшуля, яка звичайно приймається як функція від z та R

(2)

де R - параметр Лойцянського.

Найбільш обґрунтованими і універсальними гіпотезами є гіпотези, які основані на результатах досліджень А.С.Гіневського, К.К.Федяєвського, В.Т.Мовчана, І.К.Нікітіна, Е.К.Бютнер, А.С.Дубова. Формули для опису профілю швидкості та напружень Рейнольдса, отримані у вигляді поліномів, краще відображують специфіку змінення турбулентних характеристик течій у пограничному шарі, але не завжди зручні в силу своєї громіздкості.

Вивченість впливу рослинності на пропускну спроможність водотоків недостатня для рішення інженерних задач. Дослідження в області вивчання транспортування води водотоками, що заросли рослинністю, представлені в роботах В.С.Боровкова, В.А.Петросова, Н.Б.Баришнікова, Е.Л.Беновицького, Є.О.Гаєва та ін. На основі сучасного стану питання можна зробити висновок, що одержані полуемпіричні залежності не можуть бути повною мірою використані для розрахунку значно шорстких областей, які обумовлені наявністю рослинності (трави, очерету та ін.). Крім того, класична модель Прандтля повинна бути удосконалена для того, щоб виключити нефізичне розподілення швидкостей при малих значеннях вертикальної координати.

Зроблено висновок про необхідність розробки досить простої моделі для розрахунку пропускної спроможності водотоків (каналів та малих рік), що заросли гнучкою рослинністю. Така модель повинна враховувати усі фактори, що впливають на пропускну спроможність водотоків, а також має бути ефективною при прогнозуванні ефективності роботи водотоків з водною рослинністю.

Проведений огляд дозволив сформулювати основну мету і задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі коротко проаналізовано вплив водної рослинності на змінювання гідравлічних характеристик водного потоку, розглянуто структуру потоку з гнучкою донною рослинністю. Також розроблено механізм переносу турбулентних характеристик у водотоці з гнучкою рослинністю, сформульовані робочі гіпотези, на основі яких розроблена математична модель вертикального профілю осередненої швидкості по глибині каналу.

Аналіз результатів досліджень кінематичної структури руху рідини в слабопроникних середовищах показує, що вони задовільно описуються моделями Коулса-Томпсона і Толлміна (рис.1).

Проникнення води в каналах з рослинністю приводить до того, що ертикальний профіль швидкості відрізняється від логарифмічного профілю швидкості. Такий профіль формується при русі рідини в слабопроникній рослинності.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Схема турбулентної течії над слабопроникною рослинністю (по моделі Толлміна)

Течія в області слабопроникної рослинності може розглядатися у вигляді декількох шарів: нижній шар - рослинний, де відбувається гальмування потоку; верхній - вільний поверхневий шар, який формується над верхівками рослинності. У цьому випадку можна розглядати область товщини витиснення потоку. При цьому профіль швидкості зазнає перегину в області верхньої частини рослинного шару.

В області відбувається трансформування розподілення дотичних напружень і, у відповідності до теорії Коулса, виникають додаткові напруження тертя у рослинному шарі.

У подальшому будемо припускати, що потік рідини складається з двох шарів: придонного шару, в якому виявляється дія рослинності, і зовнішнього шару, який обтікає рослинність і рухається над нею. При цьому формується турбулентний пограничний шар, який визначає пропускну спроможність каналу. Потік над рослинністю знаходиться в умовах, подібних до звичайного потоку поблизу шорсткого твердого дна. На нижній границі такого потоку (верхівки рослин) відбувається гальмування течії, однак, швидкість відрізняється від нуля. Верхівки рослин впливають на структуру турбулентності в потоці.

Складним представляється потік у межах рослинності, де на характеристики течії впливає багато факторів (геометрія потоку, щільність рослинності, жорсткість стебел і т.д.). Дія цих факторів може проявлятися по-різному.

У роботі припускається розглядання кінематичної структури потоку з рослинним шаром, що показана на рис.2. Приймаємо, що швидкість в границях від 0 до , і потік в границях від до підлягає логарифмічному закону.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Схема турбулентної течії у потоці з рослинністю: 1- лінійне розподілення швидкості в шарі рослинності; 2 - логарифмічний профіль швидкості над шаром рослинності

Товщина рослинного шару є гіпотетичною і визначається як товщина витиснення у пограничному шарі із значною шорсткістю.

Далі надається складання математичної моделі, що описує вертикальне розподілення осередненої швидкості водотоку над рослинним шаром.

Для перетворення основних рівнянь переносу кількості руху в придонному шарі канального потоку зручно використовувати основні положення теорії розмірностей, які дозволяють представити рішення у вигляді комплексу безрозмірних характеристик придонного шару.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Залежність дотичного напруження для плоского пограничного шару: 1 - за даними експерименту; 2 - лінійне приближення функції

У більшості випадків руху рідини в каналах, трубах, водоводах, пограничних шарах і т.д. дотичне напруження може бути виражено залежністю, яка відповідає даним експерименту (рис.3):

(3)

де

При и , що відповідає умові постійності дотичних напружень.

Аналіз розмірностей дозволяє одержати масштаби швидкості і довжини у вигляді:

, (4)

де напруження тертя ? ф_max і приймають на стінці,

, (5)

де - динамічний лінійний масштаб; - кінематична в'язкість.

Залежність (3), для перепишемо у вигляді

, (6)

де h - висота макрошорсткості або умовна висота рослинності; H - глибина прямокутного каналу з постійним поперечним перерізом.

Залежність (6) перепишемо, враховуючи (3), у вигляді:

(7)

Для турбулентної течії усічене рівняння Рейнольдса буде мати вигляд

(8)

Рівняння (8) показує, що потік - компоненти імпульсу вздовж осі (що направлений від рідини до стінки) буде однаковим на усіх відстанях від стінки:

(9)

Однак це рівняння не дозволяє одержати профіль середньої швидкості , тому що до нього входить невідома величина . Деякі висновки про можливу функцію можна одержати з аналізу розмірностей.

Розв'яжемо рівняння (7) відносно :

(10)

Приводимо це рівняння до безрозмірного вигляду за допомогою динамічних масштабів швидкості і довжини.

(11)

У відповідності до гіпотези А.Н.Колмогорова запишемо:

, (12)

де - постійний коефіцієнт,- інтегральний масштаб турбулентності.

З урахуванням

, ~~ (13)

Запишемо

(14)

де - параметр Лойцянського.

При розрахунку сумарного тертя звичайно виходять з принципу суперпозиції кінематичної молекулярної та турбулентної в'язкостей , кожна з яких визначається незалежно одна від одної. Таке підсумування припустиме тільки у випадку розвинутого турбулентного тертя, коли >>. За цією областю відбувається нелінійна взаємодія ефектів, які можна врахувати, уводячи інтерполяційні формули для ефективного коефіцієнту турбулентного обміну або для лінійного масштабу турбулентності. Л.Г.Лойцянським було прийнято в області нелінійної взаємодії , де - згладжуюча функція; - введене Л.Г.Лойцянським місцеве число Рейнольдса. ~ при великих значеннях , що відповідає простій суперпозиції молекулярного і турбулентного тертя.

Проінтегрувавши рівняння (11), отримуємо:

(15)

Формула (15) дозволяє одержати розподілення осередненої швидкості по глибині потоку з урахуванням непостійності , тобто при порушенні автомодельності течії у пограничному шарі. Для того, щоб встановити залежність профілю осередненої швидкості по глибині, слід провести оцінку значимості членів рівняння.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Масштаб турбулентності 1 - для динамічного пограничного шару; 2 - у зоні рослинного шару

З аналізу експериментальних даних про розподілення інтегрального масштабу турбулентності по товщині пристіночного пограничного шару:

(16)

де - емпіричний коефіцієнт; - параметр шорсткості.

Інтегральний масштаб турбулентності, а також усі лінійні розміри приведено до безрозмірного виду за допомогою динамічної довжини .

При великих значеннях масштаб турбулентності (рис.4) підлягає моделі Прандтля . У цьому випадку є лінійний зв'язок між і , який дозволяє значно спростити обчислення масштабу турбулентності в потоці з поперечним зсувом, що викликаний шорсткістю поблизу твердої придонної поверхні (поблизу верхівок рослинності). Шорсткість у вигляді рослинного шару викликає необхідність урахування параметра шорсткості .

Рішення відносно має два постійних коефіцієнти і .

є постійною інтегрування і визначається при .

Значення коефіцієнту визначається при двох умовах: при =0 і при z=h . Профіль швидкості повинен відповідати розподіленню Прандтля-Кармана, який співпадає з даними експериментів при

Із залежності (15):

(17)

Проінтегрувавши це рівняння, отримаємо:

(18)

Прийнявши граничні умови при та враховуючи, що

, (19)

Одержимо

(20)

Рішення рівняння (18) з урахуванням (20) має вигляд

(21)

Враховуючи (19), запишемо:

(22)

(23)

Постійну приймаємо з умови при з тим, щоб профіль швидкості співпадав з класичним профілем Прандтля-Кармана, тобто . Отже:

(24)

Формула (24) за своєю структурою співпадає з залежністю Прандтля-Кармана. Аналіз залежностей (21) і (24) дозволяє представити рішення у вигляді:

(25)

У формулі (25) величина <<1, що дозволяє знехтувати другим доданком. Тоді залежність для вертикального профілю буде мати вигляд (24).

Виконаємо оцінку значимості окремих членів рівняння. При значеннях >0, , використовується профіль Прандтля-Кармана. Ця формула може бути використана і для . Розподілення осереднених швидкостей по товщині пограничного шару адекватно даним експериментів при дотриманні умов ф=const і ф=var. Ця формула дозволяє значно спростити розрахунки широких відкритих водотоків з гнучкою водною рослинністю.

Далі було виконано ідентифікацію отриманої моделі вертикального розподілення поздовжньої осередненої швидкості по глибині потоку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Співставлення експериментальних та розрахункових профілів швидкості: 1-експериментальні та розрахункові дані; 2- профіль швидкості, розрахований за формулою (24) при м; 3 - те ж саме, при м; 4 - те ж саме, при м

Експериментальне вивчення структури потоків з рослинністю викликає значні труднощі у зв'язку із складністю самої кінематичної структури. На рис.5 представлені профілі осередненої швидкості, що нормовані за допомогою максимальної швидкості при різних значеннях . Виходячи з аналізу графіків, можна сказати, що найбільш приближеною до дослідних даних є крива, розрахована за залежністю (24) за умови м. Значення м та м незадовільно співпадають з даними експерименту.

У третьому розділі на основі осереднення з урахуванням законів стінки та дефекту швидкості одержані залежності для визначення витрат та середньовитратної швидкості :

(26)

(27)

де - функція безрозмірної витрати.

Витиснення потоку поблизу пристіночного шару визначається тертям рідини по твердій поверхні, обтіканням рослинного шару і опором рідини в області рослинності. Для каналу, що заріс гнучкою водною рослинністю, можна представити загальну товщину витиснення у вигляді суми + (рис.6), тобто вона складається з товщини витиснення, що викликана тертям рідини по дну і обтіканням крупної шорсткості (або ) і товщини витиснення, що викликана обтіканням верхівок рослинності .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6 Товщина витиснення в каналі дУ, що заріс гнучкою рослинністю, в області з швидкостями близькими до нуля

Реальна висота рослинності пов'язана з умовною висотою співвідношенням , або, розглядаючи повну глибину потоку як повну глибину пограничного шару, встановлено, що умовна висота h складає приблизно 20% від повної глибини потоку.

Гальмування потоку, що обумовлено шорсткістю у вигляді гнучкої рослинності, може бути визначено залежністю

(28)

де - дефект швидкості, викликаний обтіканням рослинності

Залежність для максимальної швидкості може бути представлена у вигляді

(29)

З аналізу формули (29) видно, що швидкість представляє собою значення статистично осередненої швидкості і відповідає швидкості на вільній поверхні, тобто . Позначимо

(30)

Тоді формула (28) перетвориться на

(31)

Розглянемо поняття параметру шорсткості . Цей параметр зумовлює ідентифікацію профілів швидкостей, що одержані аналітично та з аналізу експериментальних даних. Саме в основному визначає гальмуючу дію рослинності. Виходячи з формул (30) і (31)

, (32)

Де

(33)

Впливання різних факторів на вертикальний профіль швидкості пов'язане як з шорсткістю в придонній області, так і з шорсткістю на різних глибинах рослинного шару. Параметр шорсткості є інтегральною характеристикою, що впливає на формування профілю швидкості, коефіцієнту гідравлічного опору і товщину витиснення . Цей параметр враховує взаємодію турбулентного потоку з донною шорсткістю, вплив концентрації (густини) рослинного шару та взаємний вплив окремих рослин. Величина має розмірність довжини і не залежить від вертикальної координати .

Транспортування води каналами, що заросли гнучкою рослинністю, зумовлене гідравлічним опором руху рідини в умовах відносно переміщення в області рослинності. При дослідженні руху рідини в каналах за допомогою інтегральних співвідношень вводимо такі припущення: втрати напору в перерізі при русі потоку, що повільно змінюється, дорівнюють втратам напору при рівномірному русі, що має таку ж швидкість і однаковий радіус перерізу. Для одержання значення коефіцієнту гідравлічного опору використовують формулу для визначення середньовитратної швидкості (27). Щодо випадку, який розглядається:

(34)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7 Залежності для русел, що заросли водною рослинністю

Рослинність висотою 37 см (дані Лудова): 1 - , 2 - , 3 - , 4 - , 5 - , 6 - , 7 - , 8 - модельна рослинність висотою 35 см, 9 - травосуміш висотою 31 см (дані Дмітрієва), 10 - рослинність висотою 41 см (розрахунок за представленою методикою), 11 - рослинність висотою 41 см (розрахунок за формулами Шезі та Маннінга)

Пропускна спроможність залежить від параметрів . Вказані параметри необхідні для виконання розрахунків і використання моделей розподілення швидкостей. В області зовнішньої границі кривої Блазіуса значення не залежать від чисел Re, і течія є автомодельною.

Рис.7 ілюструє той факт, що гнучка шорсткість викликає значний опір руху потоку і зменшує пропускну спроможність на порядки. Це пояснюється тим, що пліті водної рослинності заповнюють значний простір і лишаються тілами, що погано обтікаються. Залежність показує, що режим руху рідини при обтіканні невисокої гнучкої рослинності належить до режиму квадратичного опору, де режим течії є автомодельним за числом Re.

По запропонованій моделі рослинний шар, представлений у вигляді гнучкої рослинності, повністю затоплений водою. Якщо збільшується глибина потоку над рослинним шаром і над ним проходить більша частина водного потоку при швидкостях, що збільшуються, то опір зменшується з ростом чисел Рейнольдса. Якщо збільшується ухил, і, відповідно, швидкість, максимум опору зміщується у бік менших чисел Рейнольдса. Це може бути пов'язано з поляганням рослинності.

Із рис. 7 видно, що коефіцієнти для каналів з висотою рослинності 30-40 см близькі за своїм значенням і мають однаковий характер.

У четвертому розділі, використовуючи основні положення теорії Прандтля-Кармана, розглянуто рух рідини у шарі гнучкої рослинності. У рослинному шарі можна спостерігати різні режими течії: ламінарний, перехідний (доквадратичний), турбулентний (квадратичний).

Профіль швидкостей у ламінарному потоці звичайно розглядається як лінійний, а напруження тертя між шарами в осередненому русі вважаються постійними і рівними напруженню тертя на стінці.

У процесі дослідження руху потоку у в'язкому підшарі необхідно розглядати вплив параметру шорсткості на процес формування в'язкого підшару. Виходячи з теоретичних припущень Прандтля, необхідно розглянути параметр шорсткості сумісно з динамічними масштабами швидкості та довжини . Для в'язкого шару лінійний розмір можна розглядати сумісно з параметрами в'язкого підшару. Для запропонованої моделі слід враховувати параметр шорсткості ,який визначає інтегрально вплив шорсткості на перенос у в'язкому підшарі. У зв'язку з цим, профіль швидкості у в'язкому підшарі (шарі рослинності) можна представити лінійно, що підтверджується багатьма дослідниками (рис.8). При дії турбулентних ефектів на процес переносу з'являється тенденція до згинання профілю швидкості. Далі лінійні залежності перетворюються в логарифмічні.

Для лінійного розподілення швидкостей у в'язкому підшарі, як правило, використовується залежність

, (35)

з якої видно, що швидкість пропорційна вертикальній координаті .

У даному випадку, коли розглядається потік у шарі гнучкої донної рослинності, профіль осередненої швидкості можна представити таким чином:

(36)

У відповідності до теорії розмірності, параметр шорсткості можна використати як нормуючу довжину (замість динамічної довжини ) для одержання лінійної залежності профілю швидкості у шарі гнучкої рослинності (у в'язкому підшарі). Співставлення розрахункової залежності з виміряними результатами свідчить про якісне приближення розрахованих та виміряних значень швидкості (рис.8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8 Співставлення аналітично розрахованих профілів осередненої швидкості з результатами натурних та лабораторних вимірювань в границях рослинного шару: 1- пшениця (Юрчук); 2 - металеві прутки (дані різних авторів); 3 - рис (І.Никагава); 4 - пшениця (Є.Пешке); 5, 6 - пшениця (Д.Столлер, Е.Лемон); 7 - модельна рослинність (А.Том); 8, 9 - кукурудза (Г.Тан, З.Ухиджама); 10 - японська лиственниця (Л.Аллен); 11 - модель забудови (Дж.Кунихан); 12,13 - розрахункові дані (В.С.Боровков); 14 - профіль швидкості, розрахований за формулою (36)

Пропускна спроможність у рослинному шарі розраховується за формулою

(37)

З аналізу формули видно, що витрати в рослинному шарі незначні, тому при визначенні пропускної спроможності водотоків з гнучкою донною рослинністю витратами в рослинному шарі можна знехтувати.

Висновки

1. Розроблені і науково обґрунтовані розрахункові залежності для розрахунку пропускної спроможності широких відкритих водотоків з гнучкою донною рослинністю.

2. При розробці теоретичних положень руху водного потоку у рослинному шарі та над ним були використані основні положення законів стінки, дефекту швидкості, а також основні положення теорії пограничного шару.

3. Розподілення осередненої швидкості по глибині водотоку, що заріс, показує, що при великих значеннях вертикальної координати , запропонований профіль швидкості і профіль швидкості Прандтля-Кармана при великих значеннях z практично співпадають, у той час, коли для малих значень z формула Прандтля-Кармана виявляється нефізичною, при . Запропонована математична модель вертикального профілю осередненої швидкості адекватно описує розподілення осереднених швидкостей у потоці з рослинністю.

4. Розрахований профіль швидкості для турбулентного потоку над рослинним шаром, виходячи з реального розподілення дотичних напружень по периметру потоку, дозволяє одержати співпадіння експериментальних і розрахункових значень по всій глибині потоку при емпіричному значенні . Значення приймається як параметр моделі.

5. Розроблена розрахункова залежність для вертикального профілю швидкості по глибині водотоку дозволяє одержати аналітичні залежності для визначення середньовитратної швидкості , витрат , параметру шорсткості і коефіцієнту гідравлічного опору як функції від числа Рейнольдса.

6. Одержані розрахункові залежності дозволяють визначити розподілення осереднених швидкостей і пропускну спроможність у межах ламінарного в'язкого підшару, який імітує рослинний шар.

7. Аналіз отриманих результатів за запропонованими залежностями дозволяє дійти висновку, що пропускна спроможність лімітується значеннями витрати рідини у рослинному шарі, де швидкості значно менші, ніж швидкості у верхній частині потоку (над рослинним шаром). У зв'язку з цим при оцінці пропускної спроможності каналів, річок та інших водотоків витрати в рослинних шарах можна не враховувати.

8. Результати теоретичних досліджень, одержані в роботі, будуть використані при розробці експрес-методів для оцінки впливу рослинного шару на коефіцієнти гідравлічного опору в підводячих каналах існуючих водозаборів ТПО “Харківкомунпромвод”, а також при будівництві гідротехнічних споруд на р.С.Дінець та р.Бабка з улаштуванням променевих та інфільтраційних водозаборів для підвищення якості вихідної води.

Список опублікованих праць

1. Исакиева О.Г. Моделирование процессов переноса загрязняющих веществ в биоканалах, заросших невысокой гибкой растительностью. // Коммунальное хозяйство городов. Научн. техн. сб. ХГАГХ. К.: "Техніка", 2002. Вып. 42. С. 98-105.

2. Исакиева О.Г. Расчет пропускной способности заросших каналов. // Науковий вісник будівництва. Харків.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. 2003. Вип. 23. С. 247-249.

3. Нетюхайло А.П., Исакиева О.Г. Плавучие струи и “плумы” в неоднородном по скорости и плотности сносящем потоке несжимаемой жидкости. // Науковий вістник будівництва. Харків.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. 1999. Вип.6. С. 131-133.

4. Нетюхайло А.П., Исакиева О.Г. Вертикальное распределение продольной скорости в канале с произвольной шероховатостью. // Науковий вісник будівництва. Харків.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. 2002. Вип.18. С. 270-275.

5. Нетюхайло А.П., Исакиева О.Г. Кинематическая структура турбулентных течений в открытых каналах с произвольной шероховатостью // Коммунальное хозяйство. Научн. техн. сб. ХГАГХ. К.: "Техніка", 2002. Вып. 38. С. 114-118.

6. Нетюхайло А.П., Исакиева О.Г. Гидравлика открытых каналов с гибкой слабопроницаемой растительностью. // Науковий вісник будівництва. Харків.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. 2003. Вип.20. С. 54-58.

Анотація

Ісакієва О.Г. Пропускна спроможність широких відкритих водотоків з гнучкою рослинністю. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2004.

Дисертація присвячена прогнозуванню ефективності роботи широких відкритих водотоків з гнучкою рослинністю.

Отримані формули вертикальних профілів осереднених швидкостей по глибині потоку, що заріс гнучкою водною рослинністю.

Розроблено двошарову модель для розрахунку пропускної спроможності широких відкритих водотоків (каналів та малих рік), в якій ураховано вплив гнучкої рослинності на гідравлічні та динамічні характеристики водотоку.

Розроблено метод інженерного розрахунку роботи водотоків, що заросли рослинністю.

Достовірність теоретичних досліджень перевірена шляхом зіставлення їх з натурними даними.

Ключові слова: широкі відкриті водотоки з гнучкою рослинністю, вертикальний профіль осередненої швидкості, товщина витиснення, параметр шорсткості, коефіцієнт гідравлічного опору.

Аннотация

Исакиева О.Г. Пропускная способность широких открытых водотоков с гибкой растительностью. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2004.

Диссертация посвящена прогнозированию эффективности работы широких открытых водотоков с гибкой донной растительностью.

Кратко рассмотрены условия зарастания гибкой водной растительностью каналов и малых рек, изучено взаимодействие водного потока с растительным слоем, на основании чего разработана двухслойная модель течения в потоке с растительностью. Согласно предложенной модели, нижний слой - слой растительности, где происходит резкое изменение скорости и торможение потока; верхний слой - поверхностный слой, который формируется над растительным слоем.

Получены формулы вертикальных профилей осредненных скоростей по глубине заросшего водотока. При этом формула для вертикального профиля скорости в растительном слое получена в виде линейной зависимости, что соответствует ламинарному режиму течения.

Математическая модель вертикального профиля скорости для турбулентного потока над растительным слоем получена в виде логарифмической зависимости. Рассчитанный профиль скорости по глубине заросшего потока позволил получить аналитические зависимости для определения среднерасходной скорости, параметра шероховатости и коэффициента гидравлического сопротивления.

Разработанная модель позволяет рассчитать пропускную способность широких открытых водотоков (каналов и малых рек), учитывая влияние гибкой растительности на гидравлические и динамические характеристики водотока.

Представление модели переноса внутри слоя растительности (вязкого подслоя) позволяет считать, что транспортирование воды внутри вязкого подслоя существенно ниже переносов над растительным слоем. Анализ полученных результатов по расчетным зависимостям показывает, что скорости течения и расходы в растительном слое и над ним существенно различаются, в связи с чем, при оценке пропускной способности водотоков расходы в растительных слоях можно не учитывать.

Разработан метод инженерного расчета заросших водотоков.

Результаты теоретических исследований, полученные в работе, можно использовать при разработке экспресс-методов для оценки влияния растительного слоя на пропускную способность и коэффициенты гидравлического сопротивления заросших водотоков.

Достоверность теоретических исследований проверена путем сопоставления их с натурными данными.

Ключевые слова: широкие открытые водотоки с гибкой растительностью, вертикальный профиль осредненной скорости, пропускная способность, толщина вытеснения, параметр шероховатости, коэффициент гидравлического сопротивления.

Summary

O.G.Isakiyeva. Discharge Capacity of Broad Open Watercourses with Flexible Vegetation. - Manuscript.

The dissertation on the competition of a scientific degree of a candidate of technical sciences on specialty 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology. - Kharkiv State Technical University of Construction and Architecture, Kharkiv, 2004.

The dissertation devoted to forecasting of effective work of broad open watercourses with flexible bottom vegetation.

The work deals with the pattern of turbulent and laminar flows and methods of calculation of velocity fields and resistance as well as discharge capacity of watercourses.

Mathematical two-layer model for the vertical velocity profile of water stream with vegetation has been developed.

Suggested mathematical model allows calculating the discharge capacity of channels and small rivers with flexible bed roughness as well as hydraulic characteristics of channels.

The validity of theoretical studies has been verified by juxtaposing them with natural data.

Keywords: broad open watercourses with flexible vegetation, vertical medium velocity profile, discharge capacity, parameter of roughness, hydraulic resistance factor.

Размещено на Allbest.ru