Модельные исследования вовлечения льда под кромку ледяного покрова и сопоставление их с натурными условиями

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Модельные исследования вовлечения льда под кромку ледяного покрова и сопоставление их с натурными условиями

Койбаков С.М.

Модельные и натурные исследования вовлечения шуги и льда под кромку ледяного покрова являются составной частью изучения процессов зажоро-заторообразования на реках, равно как и этапом экспериментальной разработки методов гидравлического регулирования транспорта шуги и льда. Модельными исследованиями возможно определение условий заноса под ледяной покров льдин различных плановых размеров и толщины при различных гидравлических параметрах потока. Большой интерес представляет сопоставление полученных экспериментальных данных с натурными условиями. Выполнено сравнение модельных исследование вовлечения льдин под кромку ледяного покрова в натурных условиях [7].

заторообразование льдина кромка

Модельные исследования вовлечения льдин под кромку ледяного покрова

Несмотря на большую сложность и многообразие заторных явлений на реках выделяются два основных типа процессов заторообразования:

1) Формирование заторных скоплений путем увлечения льдин под кромку - «заторы подныривания»

2) Формирование заторных скоплений при разрушении ледяного покрова в процессе торошения и сжатия льдин путем подсосов, надвигов и навалов льда «заторы торошения» [8].

В качестве критериев подобия при моделирование потока обычно используются безразмерные числа Фруда и Рейнольдса, но так как одновременное удовлетворение этих критериев невозможно, то определяющим при моделировании транзита льда принимается число Фруда Fr, отражающее соотношение сил тяжести и инерции. Трудность при моделировании транзита льда представляет, выбор материала-заменителя льда (МЗЛ). В работах различных авторов прослеживается тенденция выбора МЗЛ выступает парафин (). Парафиновые пластинки не смачиваются водой это в определенной степени влияют на их взаимодействие с преградой, при малых масштабах моделей может вносить значительные искажение в моделируемое явления вовлечения льда под преграду. Подобный недостаток имеет место и при использовании другого распространенного МЗЛ - древесины различных пород. В настоящее время все большее употребление в качестве МЗЛ получают разновидности полистиролов и полиэтиленов.

Согласно теоретическим исследования критические условия устойчивости льдин перед преградой могут быть выражены значением числа Фруда:

(1)

где и - соответственно средняя скорость, и глубина потока, - ускорение силы тяжести. По Г. Кивисильду, значение числа Фруда Fr, при котором льдины теряют устойчивость перед преградой, приближенно равно 0,08. При имеет место вовлечения льдин под ледяной покров, а при льдины сохраняют устойчивость и задерживаются у кромки ледяного покрова. Однако величина является осредненной и трудно предположить, что она сохраняет достаточно близкое значение при любых размерах транспортируемого потоком ледового материала. [2].

Более обоснованное определение условий вовлечения льдин под ледяной покров дано в работах Е. Паризе и Р. Хауссера. На основании теоретических исследований и лабораторных опытов, авторы предложили формулу для определения скорости потока, увлекающей льдины под кромку ледяного покрова. В этой формуле учитывается форма льдин и их толщина:

(2)

где r - коэффициент формы льдины, - соответственно удельный вес воды и льда, h - толщина льдин. Согласно экспериментальным данным, полученным Е. Паризе и Р. Хауссером, [3].

Совершенно ясно, что поверхностные, равно как и средние, скорости одной и той же величины могут иметь место в потоках разной глубины. Поэтому, проводя одни и те же исследования, но в разных диапазонах изменения глубин (как это, вероятно, сделано в [2] и [3]), можно получить вполне определенные значения , не согласующиеся между собой. Это делает невозможным распространение указанных в работах [2] и [3] и полученных таким путем экспериментальных данных на натурные потоки.

Б. Мишель [2] показал, что условия вовлечения ледового материала под кромку ледяного покрова зависят от пористости массы ледяных скоплений перед кромкой, и предложил следующую формулу для расчета :

(3)

где - пористость массы льда перед кромкой. Согласно этой формуле значения , полученные Г. Кивисилдом и Е. Паризе, Р. Хауссером, могут быть сравнимы при , равным соответственно 0,73 и 0,05. [4].

Критическая скорость вовлечения льдин под кромку ледяного покрова в работах Г. Кивисильда , Е. Паризе и Р Хауссера . Пытаясь увязать эти величины, Б Мишель вводит коэффициент пористости ледовых скоплении, образующих преграду, т.е. отходит от первоначальной схемы и, по существу, уже рассматривает образовавшийся затор, плотность тела которого неизвестна, что вносит в данный вопрос еще большую неопределенность.

В.И. Синотин и З.А. Генкин проводили моделирование вовлечения льдин под преграду в автомодельной области по Рейнольдсу [5]. Результаты исследований показали, что при соизмеримых длине льдин и глубине потока значение скорости течения, определяющей вовлечения льдин под преграду, зависит от длины льдин:

Или

(4)

Таким образом, рекомендуемые рядом авторов в качестве характеристики устойчивости льдин перед кромкой ледяного покрова значения изменяются в достаточно широких пределах (0,08-0,19). Целью настоящей работы является сопоставление в натурных условиях зависимость, полученную при моделировании вовлечения льдин под кромку ледяного покрова в автомодельной области Рейнольдса авторами В.И. Синотин и З.А. Генкин [6].

Механизм вовлечения льдин под преграду и вопросы этого явления

Вовлечения льда под преграду зависит от целого ряда факторов, к числу основных из которых следует отнести скорость , заглубление преграды h, толщину и длину льдины. Такие дополнительные факторы как углы скоса льдины и преграды, угол подхода льдин к преграде, прочность льда, форма льдины в плане, на данном этапе рассмотрения явления можно принять постоянными. Тогда, считая льдину квадратной со стороной , имеющей прямой угол скоса (как и преграда) и прочность, препятствующую разрушению в момент удара, а также рассматривая встречу с преградой под прямым углом, можно записать

где - поверхностная скорость потока, при которой начинается вовлечения льдин данных размеров под преграду.

Влияние глубины потока на процесс подныривания льдин будет сказываться в том случае, если размер льдины соразмерим с глубиной или превосходит ее. Чтобы упростит анализ явления и иметь возможность сравнивать и обобщать данные, полученные для различных условий (в частности, для разных глубин при одинаковой поверхностной скорости потока), целесообразно рассмотреть тот случай, когда глубина не влияет на условие подныривания. Данное условие выполняется, когда и изменение скорости потока по вертикали от поверхности на глубину, равную происходит монотонно и достаточно медленно, т.е. когда явления подныривания происходит примерно в одинаковых условиях изменения (уменьшения) скорости потока в поверхностном слое, толщина которого равна длине льдины . Можно с достаточной степенью приближения считать, что если , то вышеизложенное условие выполняется.

Еще одно допущение, которое целесообразно принять при рассмотрение данного явления, заключается в условии , что соответствует подныриванию льдин под преграду, образованную неподвижным льдом такой же толщины. Такие случаи наиболее часто встречаются и в практике. Например, при образовании заторов, продвижение кромки ледостава неподвижный ледяной покров и подходящие к нему льдины имеет практически одинаковую толщину. Рассмотрев такой случай, можно будет перейти к анализу этого явления при больших заглублениях преграды.

При принятых допущениях скорость, определяющая момент подныривания, будет функцией только толщины и длины льдины, т.е. [5].

В.Ф. Циликин [1], рассматривая момент удара льдин о преграду, получил следующее уравнение динамического равновесия льдины:

Решение его относительно дает формулу для критической скорости в виде

(5)

где - коэффициент формы льдины, - коэффициент пропорциональности, = , и - плотность воды и льда.

Из этого уравнения также видно, что критическая скорость при сделанных ранее допущениях зависит только от толщины и длины льдины [1].

Проверка результатов эксперимента в натурных условиях

Большой интерес представляет сопоставление полученных экспериментальных данных с натурными условиями. Последнее приводиться в весьма небольшом объеме у канадских исследователей [3,4], однако они не дают возможности сравнить их с полученными результатами в работе [5].

На основание исследований можно сделать вывод, что при принятом подходе к изучению явлений вовлечения льдин под кромку ледяного покрова (моделирование по закону гравитационного подобия с использованием для моделей льдин материала того же объемного веса) автомодельность наступает, когда , при этом . Это говорит о том, что данные, полученные для области и характеризуемые условиями , можно переносить на натурные потоки для случаев вовлечения льдин длиной . Из условия можно получить,

Таким образом, авторами В.И. Синотин и З.А. Генкин, экспериментально установлено, что критическая скорость, обеспечивающая вовлечения льдин под кромку той же толщины, зависит от длины льдины и не зависит от ее толщины.

Сравнение данных полученных в этой работе проводилось на реке Сырдарья в Кызылординском гидроузле Южно-Казахстанской области. На реке Сырдарья ниже Кызылординского гидроузла 26 марта 2012 года из-за погодных условий начал вскрываться ледяной покров рис. 1. [5].

Рис. 1. Вскрытие нижней части ледяного покрова реки Сырдарья в Южно-Казахстанской области (дата: 26 марта 2012 г.)

Затем начался процесс формирование зажорных явлений путем вовлечения льдин под кромку ледяного покрова. Проводилось измерение скорости течения воды и длины льдин рис. 2.

Рис. 2. Процесс завлечения льдин под кромку ледяного покрова (дата: 26 марта 2012г)

Скорость течения реки была определена поплавком (в виде поплавка использовалось кусок дерева и льдины). Замерялось время прохождения пути поплавком и по следующей формуле рассчитывалось скорость течения воды.

(6)

где: s - расстояние пути от гидроузла до кромки ледяного покрова, t - время прохождения пути поплавком.

Средняя скорость течения воды изменялось в пределах 0,8 - 1,0 м/сек, длина подплывающих льдин к кромке ледяного покрова колебался в пределах 0,3 - 2,0 метров.

Сопоставлены данные полученные в натурных условиях с данными модельного исследования . При обработке данных получено, если скорость движения воды была больше , то все частицы льдин вовлекались под кромку ледяного покрова, а при меньших скоростях льдины оставались на плаву. Таким образом, данные физической модели, полученные в автомодельной области Рейнольдса с уверенностью можно переносить на натурные потоки [6].

Заключение

Рассмотрены разные методы экспериментального исследования вовлечения льдин под кромку ледяного покрова. За основу исследования взята физическая модель вовлечения льда под кромку ледяного покрова в автомодельной области Рейнольдса, данная методика расчета была проверена в натурных условиях на реке Сырдарья в Южно-Казахстанской области. Изучена сопоставимость полученных результатов в натурных условиях.

Литература

Циликин В.Ф. Вопросы вовлечения плавающих тел в заглубленные отверстия в условиях плоской и пространственной задач - Афтореферат диссертации, Л., ВНИИГ, 1967.

Кивисильд Г. Исследования образования зажоров, - Труды 9 Конгресса МАГИ, Монреаль, Л., 1959.

Паризе Е, Хауссер Р. Образование ледяного покрова на реках. - Труды 9 Конгресса МАГИ, Монреаль, Л., 1959

Мишель Б. Критерий гидродинамической устойчивости фронтальной кромки ледяного покрова. - Труды 11 Конгресса МАГИ. Л., 1965.

Синотин В.И., Генкин З.А. Исследования подныривания льдин под преграду. - Труды ГГИ, 1972, вып. 192, стр. 37-43.

Филиппов А.М. Образование заторов и зажоров льда на реках. - Труды ГГИ, 1973, вып. 201, стр. 107-114

Умирханов М.Г. Борьба с заторами в низовьях р. Сырдарья. - Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2011, том 264, стр. 137-139

Умирханов М.Г. Борьба с заторами льда на р. Сырдарья. - Международный журнал экспериментального образования. 2012. № 5, стр 103-105

Размещено на Allbest.ru