Гидравлические основы жаберного дыхания рыб Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Продолжение таблицы

Удлинение при разрыве, % 5 6

Предел прочности при изгибе, МПа 90 85

Модуль упругости при изгибе, МПа 2.2х104 2,0х104

Прочность связи между слоями, Н/мм 6 7

Адгезия полимерно покрытия, Н/мм 1,0 1,0

Допустимое напряжение пр изгибе, МПа 48 48

Тепловое расширение (справочно), мм/м 2 1,6

Устойчивость материала к температурному нагреву, оС +118 + 118

Цена, руб./ кв.м 800 700

Цена монтажа, руб./ кв.м 1100 1400

Стоимость доставки Договорная Договорная

Проведя сравнение, мы пришли к выводу, что алюминиевые композитные панели компании ALUMATRIX по пределу прочности при изгибе меньше чем у панелей изготовленных компанией BILDEX. Так же имеется разница в стоимости панелей и их монтажа. Стоимость панелей компании ALUMATRIX меньше на 100 руб./ кв.м, но стоимость монтажа панелей кампании BILDEX меньше. Список использованной литературы:

1. Страхова А. С. , Унежева В. А. Инновационные технологии в строительстве как ресурс экономического развития и фактор модернизации экономики строительства // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2016. № 6. С. 263-272.

© Анисимов С.А., Абакумов Р.Г., 2017

УДК 532.5 + 577.35

В.И.Бажанов

д.х.н, профессор М.А.Медер магистрант

Московский государственный политехнический университет

г. Москва, Российская Федерация [email protected]

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖАБЕРНОГО ДЫХАНИЯ РЫБ

Аннотация

Создана модель системы жаберного дыхания рыб, в процессе которого происходит усвоение рыбами растворенного воздуха из воды. В рамках этой модели с помощью пакета прикладных программ SOLIDWORKS построена твердотельная модель жаберной полости и проведен расчет параметров течения воды, омывающей жаберные лепестки, получены поля давления и скоростей воды в этой системе.

Показано, что за жаберными лепестками образуются зоны пониженного давления. Расчет концентраций растворенного в воде воздуха показал, что в этой области имеет место газовая кавитация -выделение воздуха из воды в виде пузырьков. Лепестки пронизаны многочисленными кровеносными сосудами. Молекулы кислорода из пузырьков диффундируют через поверхность лепестков в кровеносные сосуды рыб, что и определяет процесс дыхания.

Ключевые слова

Жаберное дыхание, газовая кавитация, уравнение Навье-Стокса, диффузия.

Введение

Сегодня перед человечеством стоит проблема перенаселения и связанная с этим проблема дефицита

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №04-3/2017 ISSN 2410-6070_

продовольствия. До сих пор безболезненных путей решения этих проблем нет. Один из вариантов решения заключается в использовании человеком подводного пространства. Но для реализации такого проекта в подводных станциях необходим прежде всего стационарный источник воздуха. Оптимальный вариант заключается в том, что воздух будет получен из морской воды по такому же принципу, как это происходит в организме рыб.

Однако механизм жаберного дыхания до сих пор не раскрыт. Для решения такой задачи необходимо рассмотреть устройство жаберной полости, проанализировать процессы, происходящие при прохождении воды через эту полость и выяснить, каким образом здесь образуются пузырьки воздуха, которым дышит рыба.

Жабры, прикрытые жаберной крышкой, расположены в жаберной полости (рис. 1). Жаберный аппарат костистых рыб имеет пять жаберных дуг, четыре дуги на внешней выпуклой стороне имеют по два ряда жаберных лепестков, поддерживаемых опорными хрящами [1, с.1].

Рисунок 1 - Строение и работа жабр

Дыхание рыб происходит следующим образом: при вдохе открывается ротовое отверстие, жаберные дуги отходят в стороны, жаберные крышки наружным давлением плотно прижимаются к голове и закрывают жаберные щели. Из-за разницы в давлении вода всасывается в жаберную полость, омывая жаберные лепестки. При выдохе ротовое отверстие рыбы закрывается, жаберные дуги и жаберные крышки двигаются навстречу друг другу: давление в жаберной полости увеличивается, жаберные щели открываются, и вода выжимается через них наружу.

Гидравлическая модель жаберного дыхания.

Наша задача - ответить на принципиальный вопрос: каким образом происходит попадание кислорода из воды в кровь рыбы. Рассмотрим проточную часть жаберной плости, выделенную прямоугольником на рис.2 .

Рисунок 2 - Схема проточной части жаберной полости

Рисунок 3 - 3D-модель проточной части жаберной полости

В пакете программ SOLIDWORKS [2, с. 1] нами создана 3D-модель этой части жаберной полости, представленная на рис. 3. Будем моделировать течение жидкости во время вдоха рыбы. При вдохе рот рыбы открывается, и из-за разности внешнего и внутреннего давлений вода поступает в жаберную полость. Таким образом, можно считать, что давление на плоскости 1 (рис. 3) равно внешнему давлению, которое мы плагаем равным 2 атм, а скорость движения воды направлена перпендикулярно плоскости 1 и равна скорости движения рыбы - 2 м/с.

Такая модель позволяет задать граничные уловия для течения воды: на входе давление, равное 2 атм и скорость 2 м/с и условие непротекания на стенках и лепестках. Теперь с помощью той же программы SOLIDWORKS решаем уравнение Навье - Стокса [3, с.140], используя модель к-е - модель турбулентности. Получаем поля давления и скорости воды в жаберной полости рыбы, представленные на рис. 4 и 5.

Рисунок 4 - Поле скорости.

Рисунок 5 - Поле давления

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №04-3/2017 ISSN 2410-6070_

Из рисунка 4 видно, что в процессе течения воды в жаберной полости образуются завихрения, в центре которых находятся зоны пониженного давления (рис.5). В этих зонах может происходить повышение концентрации растворенных в воде молекул воздуха (азота и кислорода) [4, с.1].

Расчет концентраций растворенного воздуха.

Для объяснения механизма жаберного дыхания рассмотрим диффузию растворенных молекул воздуха в движущемся потоке жидкости. Для этого необходимо решить уравнение конвективной диффузии [5, с. 134]:

6C дх

■ + V,

дС дС — + vz—

z dz

ду

D

rd2C д2С

d С

dx dy dz

(1)

Здесь ^х , ^ у , Vz - скорости движения жидкости, D - коэффициент диффузии, С - концентрация.

В безразмерном виде это уравнение записывается как

dC dC dC ^ Vx — + Vy — + Vz — = M x dX y dY z dZ

rd 2C

d2C dC

-7 +-7 +-7

KdX2 dY2 dZ2 j

(2)

Здесь М = (Ре) 1 , Ре = V • d / D - число Пекле

Ух = Ух/у , Уу = Уу /V , У = /У - безразмерные скорости, V- масштаб скорости.

Х = х/$ , ¥ = у / $ , ^ = $ - безразмерные расстояния, $ - масштаб расстояния. Уравнение (2) является также уравнением теплопроводности (энергии) [6, с.56], описывающее

температурное поле. В нем M =

Я

1

р-с V • d

Я коэффициент теплопроводности, р - плотность, С -

теплоемкость среды.

Зная, что определяющим фактором для поля концентрации служит поле скорости, а не коэффициент диффузии [4, с.4], будем использовать для расчета поля концентрации уравнение энергии, решение которого возможно при помощи того же пакета SOLIDWORKS.

Положим на всех границах концентрацию, равную 0,019 - среднюю концентрацию растворенного воздуха в воде [7, с.78]. В результате расчета получим поле концентраций, представленное на рис. 6. Из этого рисунка видно, что в жаберной полости вблизи жаберных лепестков концентрация растворенных молекул больше средней - предельно допустимой концентрации воздуха в воде [8, с.215]. В этом случае происходит газовая кавитация - избыток растворенного воздуха выделяется из воды в виде пузырьков.

Рисунок 6 - Поле концентраций

V

х

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №04-3/2017 ISSN 2410-6070_

В лепестках кровеносные сосуды практически соприкасаются с водой, поэтому можно считать, что около кровеносного сосуда образуется зона, где находятся пузырьки воздуха. На рисунке 7 красным цветом показан кровеносный сосуд, голубым - водная среда, синим - пузырек воздуха.

Рисунок 7 - Схема пространства вблизи жаберного лепестка

Часть поверхности лепестка между пузырьком воздуха и кровеносным сосудом площадью и

толщиной 3 является мембраной, через которую поток молекул воздуха /, будет направляться из воды в кровеносный сосуд рыбы. Причем величина / рассчитывается по формуле Дарси [8, с.50]:

/ = Кэ — (С1 "С2) ( )

С1 и С2- концентрация воздуха вне и внутри кровеносного сосуда, KD - коэффициент проницаемости для самодиффузии. / = А^/ А/

А N - число молекул воздуха, проходящих через мембрану за время А/

Заключение

В настоящей работе нами предложена модель, объясняющая механизм жаберного дыхания. На основе этой модели впоследствии можно будет создавать устройства, позволяющие выделять воздух из воды.

Список использованной литературы:

1. http://www.aqualover.ru/fauna/fish-branchiate-fish-breathing.html

2. http://www.solidworks.ru.

3. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Изд. 5-е, переработанное, Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», - М.:1976. - 736 с.

4. В.И.Бажанов, М.В.Марченков, А.В.Рябухин. Компьютерное моделирование возникновения газовой кавитации. Машиностроение и инженерное образование, 2012, №3, стр. 24.

5. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика.- М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959, 700 с.

6. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика - Москва.: Энергоатомиздат, 1983, 414 с.

7. Никольский Б.П. Справочник химика. Т. 1. - Л.: Химия, 1966, 1072 с.

8. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах, - М.: Химия, 1980, 232 с.

© Бажанов В.И., Медер М.А., 2017

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №04-3/2017 ISSN 2410-6070_

УДК 624.012

^Д. Байрамова, студент Р.Г. Абакумов, к.э.н., доцент БГТУ им. В. Г. Шухова г. Белгород, Российская Федерация

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МНОГОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ В РОССИИ И В ТУРКМЕНИСТАНЕ

Аннотация

В статье рассматриваются особенности конструкций и материалов, применяемых при строительстве многоэтажных жилых домов в России и в Туркменистане.

Ключевые слова Анализ, конструкции, жилые дома.

Жилищная проблема была и остается одной из важнейших проблем для Российской Федерации и других стран. Единственно правильный путь преодоления настоящей проблемы - интенсивное строительство многоэтажных жилых домов. Наиболее комфортными считаются индивидуальные малоэтажные дома, и большинство людей предпочло бы жить именно в них, но основная масса городского жилья ввиду экономических и других ограничений - это многоэтажные здания.

Многоэтажные жилые дома являются основным типом жилища в городах нашей страны. Такие дома позволяют рационально использовать территорию, сокращают протяженность инженерных сетей, улиц, сооружений городского транспорта.

Проведем сравнительный анализ наиболее распространенных конструкции многоэтажных жилых домов в России и в Туркменистане

Рассмотрим конструктивные особенности одного из многоэтажных жилых домов - проекта 9-ти этажного каркасно-монолитного жилой дом с техническим этажом. Площадка под строительство расположена на северо-восточной окраине г. Старый Оскол.

В проекте запроектирована торцовая блок-секция многосекционного жилого дома. Количество этажей 10, в здании также имеется 2 технических этажа и подвал. В первом этаже располагаются офисные помещения. Этажи с третьего по девятый - жилые. На них располагаются по три квартиры - по одной трехкомнатной квартире и по две двухкомнатных. Высота этажей-2,9м. Конструктивная схема - каркасная. Фундаменты приняты свайные. Из железобетонных свай квадратного сечения 400х400 мм, длинной 5 м. Колонны запроектированы монолитными железобетонными сечением 400х400 мм.

Перекрытия применяются сборно-монолитные железобетонные плиты. Наружные стены выполнены из пенобетонных блоков. Стены поэтажно выполнены на перекрытиях.

Перегородки запроектированы двух видов. Первый - гипсокартонные перегородки толщиной 20 см. Они разделяют комнаты квартир, применяются в офисах. Второй тип перегородок - перегородки из кирпичной кладки. Кирпичные перегородки применяются в санузлах, туалетах, ванных комнатах, также ограждающих конструкций балконов, лоджий.

Крыша применена плоская инверсионная кровля с внутренним водоотводом. Кровля выполнена по сборным монолитным плитам.

Данная кровля имеет следующие слои: 2 слоя линокрома; уклонообразующий слой из керамзитного гравия; утеплитель - плиты из экструзионного пенополистирола толщиной - 100 мм.; гидроизоляционная мембрана из этилен пропилен-диен-мономера толщиной 1,15мм.

Потолок в технических и полуподвальных этажах белится или красится водоэмульсионной краской.

В офисных помещениях и коридорах первого этажа предусмотрены подвесные потолки. С различным типом плит и рисунком.

Рассмотрим конструктивные особенности многоэтажного дома в Туркменистане. Здание имеет 9-