Экспериментальные исследования потоков с циркуляционными зонами Текст научной статьи по специальности «Математика»

(1.12)

для L: x + y — 3z + p — 3k = 1,

[дляТ: — y=—1,

.для M: z + k = 0.

Получим решение системы (1.12) в следующем виде гх _ ^,

| У = 1, (1.13)

(z = —к.

Подставляя значения x, у, zв зависимость (1.9), получим

им = в(но)_р%}РмХРо^п0,

или

U,

Из уравнения (1.15) выразим в

„ dopoVo . п = Зт-^----rsrn0.

(Н0)РрМ

в_

(h0)ppMUm

(1.14)

(1.15)

(1.16)

doPoVoysin0'

Составим зависимость между основными параметрами в другом виде, например:

Ho = 3UMVoypMdppksrn0, (1.17)

Используя анализ размерностей, можно доказать, что из зависимости (1.17) вновь получаем:

в_

(HqFpMUm

(1.18)

doPoVoysin0'

В теории турбулентных струй при выводе ряда закономерностей успешно используется теорема импульсов. Если в уравнениях (1.16) и (1.18) принять p=1 k=1; y=1, то безразмерная обобщённая характеристика в представляет собой отношение удельного импульса сносящего потока к удельному импульсу струи, что физически является вполне оправданным.

Тогда

в _ H0pMUM

Для вертикальной струи (0=90°):

dopoVosin0'

в_

в_

d0V0p0

(Hm hor)UMpM

При ро=рм

в_

d0V0p0 (Hm — h0)

(1.19)

(1.20)

(1.21)

(1.22)

Полученный параметр в отражает влияние свободной поверхности и мощности сносящегося потока на структурную схему растекания струи.

Дальнейшие экспериментальные исследования показали, что параметр в при распространении струи в среде той же плотности имеет критические значения вкр.в = 1,15 - верхнее критическое значение; вкр.н = 0,6 - нижнее критическое значение.

Таким образом, используя уравнения (1.22) и критерии вкр можно определить схему растекания струи сточной жидкости в мелком водоёме: при в> 1,15 имеет место свободное растекание струи в водоёме, обеспечивающее максимальную степень начального разбавления (схема а). Переход струи от свободного растекания к радиальному происходит при в = 1,15 (схема b). Если в<1,15, но >0,6 струя распространяется по схеме b или с. При в<0,6 струя распространяется по схеме d, т.е. самой неблагоприятной для процесса разбавления сбрасываемых загрязнённых жидкостей в мелкий водоём.

На практике сточные воды имеют меньшую плотность, чем плотность жидкости принимающего водоёма. Чтобы обеспечить условие р°<рм, на модели жидкость, имитирующая сточные воды предварительно нагревалась до заданной температуры.

Результаты экспериментов (при р°<рм) позволили выразить аналитически параметр в, отделяющий схемы растекания струи, по зависимости

вкр _ 1,15+25 (1.23)

Frn

где: Frp - плотностное число Фруда.

Frp _ Frp-

Ро

V02 Рм

Ро

(1.24)

рм gd0 рм

Итак, если параметр в, определяемый по уравнению (1.21) > вкр (123), то струя расширяется по схеме (а) - струя в сносящем потоке. Если в<вкр - то имеем струю, распространяющуюся по схеме (b). Чем меньше в, тем ниже эффект начального разбавления, за счёт образования циркуляционных зон, а значит присоединения к струе сточной жидкости загрязнённых объёмов воды.

Литература

1. Большаков В.А., Попов В.Н. Гидравлика. Общий курс: Учебник для вузов. - К.: Выща шк. Головное изд.-во, 1989 - с. 184 - 196.

2. Ухин Б.В. Гидравлика: учебное пособие. - М.: ИД “ФОРУМ": ИНФРА-М, 2010 - с. 451 - 454.

Земляная Н.В.1, Шаланин В.А.2

'Доктор технических наук, профессор; 2магистрант, Дальневосточный государственный университет ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМИ ЗОНАМИ

Аннотация

Определение параметров циркуляционных зон было целью работы. Геометрические характеристики и скоростная структура циркуляционного потока определялись в лабораторных условиях и с помощью программного комплекса COSMOSFIoWork. Результаты физического и численного моделирования, выполненные авторами, сопоставлялись с данными других исследователей.

39

Ключевые слова: циркуляционная зона, водоворот, скоростная структура, моделирование

Zemlyanaya N.V., Shalanin V.A.

'Doctor of technical Sciences, professor; 2student of master program, Far Eastern Federal University EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF FLOWS CIRCULATING ZONES

Abstract

Definition of circulating zones parametres was the work purpose. Geometrical characteristics and velocity structure of a circulating stream were defined in laboratory conditions and by means of program complex COSMOSFIoWork. The results of physical and numerical modeling executed by authors were compared with data of other researchers.

Keywords: circulation zone, whirlpool, velocity structure, modeling

В системах водоснабжения и водоотведения циркуляционные зоны встречаются практически везде, где наблюдается резкое сужение или расширение потока движущейся жидкости. В качестве примера можно привести вход жидкости в седиментационные сооружения, выпуски сточных вод в мелкие акватории, трубопроводы с запорной арматурой и др.

Проблема определения параметров циркуляционных (водоворотных) зон в прошлом веке стояла достаточно остро и была связана, прежде всего, с необходимостью корректного расчета нижних бьефов гидротехнических сооружений.

Мотивацией исследований предлагаемой работы, были результаты натурного обследования седиментационных сооружений с тонкослойными модулями в системах водоснабжения и водоотведения, которые показали, что эффективность их использования достаточна низка. Основной причиной низкого коэффициента использования являлось образование циркуляционных зон, ответственных за образование обратных токов воды.

В качестве примера решения поставленной задачи рассматривался затопленный гидравлический прыжок (Рис. 1).

Рис.1- Схема затопленного гидравлического прыжка (истечение из-под щита)

Экспериментальные исследования проводились на компьютеризированном гидравлическом стенде Н91.8D/5/C DIDACTA ITALIA (Рис. 2). Гидравлический стенд представляет собой наклоняемый лоток для исследования открытых безнапорных потоков длиной 5 метров, шириной 0,3 метра и высотой 0,35 метра, При проведении эксперимента уклон лотка был равен 0.

При проведении эксперимента определялись следующие параметры циркуляционных зон (водоворотов):

1. Структура строения потока и циркуляционной зоны.

2. Распределение скоростей в каждой точке водоворота и транзитного потока.

3. Наличие и положение центра водоворота.

4. Наличие и положение места вторичного отрыва струи от дна лотка.

В эксперименте был использован, шит с регулировкой высоты подъёма. Ширина шита равн_. внутренней ширине лотка, в котором проводился эксперимент (30 см).

Рис.2 - Схема расположения щита в гидравлическом лотке Н91.8D/5/C DIDACTA ITALIA.

Для увеличения уровня воды в нижнем бьефе использовался водослив с тонной стенкой высотой 0,13м, толщиной 5мм, и шириной равной ширине лотка.

Измерение отметок верхнего и нижнего бьефов, а также места положения оси измерителя скорости проводилось с помощью координатной сетки, нанесённой на одну из боковых стенок лотка.

40

Измерение скоростей в различных участках потока проводилось микро вертушкой для измерения скоростей марки NIXON FLOW METERS LIMITED 404.

В процессе анализа результатов эксперимента были построены профили скорости в поперечных сечениях плоской струи, отображающие изменение значений главной составляющей скорости, а также ширину расширяющейся струи в различных сечениях потока (Рис.3, рис.4, рис. 5.).

Рисунок.3- Профили скорости в различных сечениях плоского потока жидкости для высоты поднятия щита а/Ь=0,6 метра; b

- ширина лотка, h - глубина потока ниже щита

Рис.4 - Профили скорости в различных сечениях транзитной струи для высоты поднятия щита, а/Ь=0,5;

Рис.5 - Профили скорости в различных сечениях транзитной струи для высоты поднятия щита, а/Ь=0,4; ^од- скорость

подхода воды к затвору

41

О х/ь=зд

а хк)

?* Х/Ь=бД

Д Х'Ъ-;;

0 Х/Ъ=9Д

< 1 i f~~

О 0,1 op 0,3 0,4 Op 0,6 0,7 op 0,9 1,0 1,1 ip ЬЛ>

Рис.6- Профили скорости в различных сечениях транзитной струи для высоты поднятия шита, а/Ь=0,3.

Результаты экспериментальных исследований позволили сделать ряд выводов, в частности,

- влияние пограничного слоя транзитной струи оказывает заметное влияние на расширении потока при отношении L/b>5,

- в начальном сечении струи скоростная структура не имеет автомодельный характер, профили скорости зависят от абсолютного значения высоты отверстия а;

- транзитная струя расширяется по линейному закону на относительном расстоянии x/a < 15;

- угол расширения транзитной струи при степенях расширения Ah/a = 2^5, принятых в эксперименте, составлял порядка 4

град.

В ряде работ параметры транзитной струи рассчитываются из условия, что в области до центра водоворота, в которой струя расширяется линейно в соответствии с законами распространения турбулентных струй, угол линии нулевых скоростей составляет 10-12 град. В наших экспериментах этот тезис не подтвердился. Очевидно, при малых степенях расширения на транзитную струю оказывает влияние поджатие потоками циркуляционной зоны.

Параллельно для определения параметров циркуляционных зон использовалось моделирование при помоши программного продукта COSMOS FloWorks [3]. Одной из задач работы было оценка возможностей моделирования безнапорных потоков с циркуляционными зонами на напорных моделях продукта COSMOS FloWorks.

COSMOS FIoWorks базируется на последних достижениях вычислительной газо- и гидродинамики и позволяет рассчитывать широкий круг различных течений: двумерные и трехмерные, ламинарные, турбулентные и переходные, несжимаемые, сжимаемые, стационарные и нестационарные течения многокомпонентных текучих сред в каналах и вокруг тел, с учетом гравитации, пограничного слоя, в том числе с учетом шероховатости стенок.

В COSMOS FloWorks движение и теплообмен текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье — Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Кроме того, используются уравнения состояния компонентов текучей среды, а также эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности этих компонентов среды от температуры. Для моделирования турбулентных течений уравнения Навье — Стокса осредняются по Рейнольдсу, а для замыкания этой системы уравнений в COSMOS FIoWorks используются уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и ее диссипации в рамках k-е модели турбулентности.

Рис. 7 - Картина истечения потока из под шита в программе SolidWorks при высоте подъёма шита а = 0,06 метра.

В ходе исследования и компьютерного моделирования были выполнены измерения длин водоворотных зон возникающих

при несвободном истечении из-под затвора.

Компьютерное моделирование в целом адекватно экспериментальным данным отражает процесс распространения струи, однако наблюдается различие в размерах циркуляционных зон.

Для сравнения полученных результатов были использованы формулы из исследований Г.Н. Абрамовича [1] и Н.В. Земляной

[3].

По данным Г.Н. Абрамовича длина водоворотной зоны напрямую зависит от A h=H-a [1]:

L/Ah = 6,3 (1)

По опытам Н.В.Земляной полная длина водоворота зависит от Ah и а:

L/ Ah = 6,5+1,8a / At {2)

Процентное расхождение между экспериментом и компьютерным моделированием составляет 22,26%, экспериментом и расчётом по методу Г.Н. Абрамовича 21,64%, экспериментом и расчётом по методу Н.В. Земляной 11,43%.

42

Проведенные исследования позволяют утверждать, что процесс распространения струйных течений с циркуляционными зонами не изучен полностью. При малых степенях расширении, характерных для распределительных систем сооружений водоснабжения и водоотведения необходимы дополнительные исследования характера понижения давления, которое провоцирует образование водоворота, размера транзитной струи в линейной и нелинейной части ее расширения, возникновения вторичного отрыва и т.д.

Литература

1. Абрамович Г.Н Теория турбулентных струй. М: Мир, 1960.-476с.

2. Алямовский А.А. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. Санкт-Петербург: БХВ петербург, 2006. - 799 с.

3. Земляная Н.В. Вторичный отрыв плоской струи в канале за плохообтекаемым телом // Сборник трудов ДВПИ «Гидравлика и гидротехника».- Владивосток, 1984, - Т.60. - С.81-89.

Зубова И.А.

Аспирант, Бийский технологический институт (филиал АлтГТУ)

ТЕНДЕНЦИИ И ПРОГНОЗЫ РАЗВИТИЯ РЫНКА E-LEARNING

Аннотация

В статье рассмотрены тенденции и прогнозы развития электронного обучения на мировом и российском рынке.

Ключевые слова: электронное обучение, тенденции развития, рынок E-learning.

Zubova I.A.

Postgraduate student, Biysk Technological Institute TENDENCIES AND FORECASTS OF DEVELOPMENT OF THE E-LEARNING MARKET

Abstract

In the article tendencies and forecasts of development of electronic training in the world and Russian market are considered.

Keywords: electronic training, development tendencies, E-learning market.

История российского рынка электронного обучения берет начало с 90-х годов, когда специалисты в области компьютерных технологий разрабатывали первые программные продукты, позволяющие осуществлять взаимодействие между студентами и преподавателями на расстоянии.

На сегодняшний день в мире электронное образование используется повсеместно. Например, в США уже более 90% ВУЗов и школ, а также компаний, имеющих численность более тысячи человек, используют эту форму обучения. По сравнению с ситуацией в мире, развитие рынка электронного обучения в России, по оценкам специалистов, отстает на 5-7 лет [1], является бессистемным, осуществляется без централизованного планирования.

Рынок электронного обучения США является мировым лидером, как по объемам доходов, так и по тенденциям развития. Рынок решений в области дистанционного образования США составляет более 50% от общемирового рынка. Именно США определяет глобальные тренды развития рынка e-learning во всем мире. Поэтому для понимания ситуации необходимо рассмотреть тенденции развития рынка США. В 2011 году в корпоративном секторе e-learning значительно выросло использование технологий электронного обучения, например:

- мобильных технологий - на 87%;

- инструментов для быстрой разработки учебного контента - на 54%;

- готового учебного контента - на 39%;

- социальных сетей - на 47%.

В целом, основные тенденции развития рынка e-learning в России схожи с мировыми трендами, это:

- мобильное обучение;

- интеграция с социальными сервисами;

- развитие SAAS (Software as a service) решений.

Хотя эти тенденции нельзя назвать новыми, но можно сказать, что сейчас глубже раскрывается потенциал уже известных решений. Например, социальные медиа уже используются в целях обучения, но теперь пришло осознание того, что для людей социальные сети стали неотъемлемой частью мышления и обучения. И в скором времени ожидается расцвет приложений для обучения с помощью социальных сетей.

Возрос интерес к SAAS-продуктам. Software as a service - программное обеспечение как услуга, бизнес-модель продажи и использования программного обеспечения, при которой поставщик разрабатывает веб-приложение и самостоятельно управляет им, предоставляя заказчику доступ к программному обеспечению через Интернет. Некоторые крупные компании переходят на модели SAAS, и, по мнению экспертов, эти системы в скором времени могут потеснить лидеров рынка, таких как Blackboard. SAAS направление постепенно набирает обороты на российском рынке. За последние два года количество решений e-learning, предоставляемых с помощью SAAS, выросло почти на 50%. В ближайшее время следует ожидать активизацию работы зарубежных учебных заведений в России, предоставляющих услуги бизнес-обучения.

Стремительное развитие рынка смартфонов, коммуникаторов и планшетных компьютеров приносит новые веяния в индустрию e-learning, подталкивая развитие мобильного обучения. Сегодня практически любой контент систем e-learning можно просмотреть на мобильном устройстве и необходимости в разработке чего-то специального уже нет. По данным Российской ассоциации электронных коммуникаций сегодня в России уже около 5 миллионов пользователей мобильного интернета, большинство из них в возрасте 16-19 лет [2]. В ближайшем будущем также начнут появляться различные приложения для внедрения в социальные сети, что обусловлено огромной интеграцией жизни большинства людей молодого поколения с социальными сетями.

В ближайшем будущем рынок электронного обучения в России будет характеризоваться следующими тенденциями:

- появление новых игроков на рынке e-learning;

- рост числа участников профессиональных сообществ по электронному обучению;

- рост рынка вебинаров и вебконференций;

- логичным шагом должно стать развитие адекватного государственного регулирования и создания нормативной базы быстро развивающейся отрасли с определением четких целей и задач развития электронного обучения;

- в долгосрочной перспективе рынок электронного обучения, по примеру мировых тенденций, начнет смещаться в сторону TMS (Talent Management System - система управления талантами, уже получившая распространение на западе, но еще не дошедшая до России).

Поскольку рынок все равно развивается, вне зависимости от отсутствия должного государственного регулирования, спрос на электронное обучение будет возрастать не только в корпоративном, но и в государственном секторе. На сегодняшний день

43