К определению параметров донных рифелей больших земляных каналов в условиях волнового потока Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 502/504 : 551.435.125 : 556.536.3 : 551.556.8 С. С. ЭШЕВ, Н. К. МУРАДОВ

Каршинский инженерно-экономический институт, Республика Узбекистан

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ДОННЫХ РИФЕЛЕЙ БОЛЬШИХ ЗЕМЛЯНЫХ КАНАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВОЛНОВОГО ПОТОКА

Предлагаются зависимости для расчета параметров донных рифелей больших земляных каналов в условиях волнового потока, полученные рядом исследователей на базе лабораторных и натурных данных. Приведено сопоставление экспериментальных данных с предлагаемыми зависимостями.

Донный рифель, наносы, ветровая волна.

There are proposed dependencies of parameters calculation of ripples of large earth canals under the conditions of wave current which were received by a number of researchers on the basis of laboratory and natural data. Comparison of the experimental data and proposed dependencies is given.

Ripple, sediments, wind wave.

Существование рифелей волнового генезиса, так же как и донных волн в условиях однонаправленных потоков, связано с транспортированием донных наносов. При этом рифели оказывают существенное влияние не только на транспорт наносов, но и на трансформацию поверхностных волн (значительно увеличивая потери их энергии), участвуют в формировании и перестройке волновых дрейфовых течений, от рифелей зависят течения вдоль береговой зоны открытых водотоков и водоемов. Кроме того, в крупных руслах рек и каналов под действием ветрового волнения в ряде случаев может отмечаться существенная перестройка донного рельефа, которая выражается как в возникновении необратимых деформаций (общих размывов русла, образовании пляжевых форм рельефа и областей с повышенной аккумуляцией наносов, деформации береговых откосов и т.д.), так и в трансформации уже имеющихся в русле грядовых форм рельефа. Поэтому исследование процесса формирования рифелей в стоячей воде и при наличии стационарных течений становится в наши дни все более значимым при решении различного рода задач прикладной гидравлики, в первую очередь при проектировании и эксплуатации крупных земляных каналов.

№ 1'2012

На современном этапе исследование формирования рифелей под действием волновых движений проводится в двух направлениях - теоретическом и экспериментальном.

Теоретическое исследование формирования донных образований в волновых потоках из-за нестационарности рассматриваемого процесса связано с большими математическими трудностями. Поэтому в ряде исследований предпринята попытка проведения аналогии механизмов формирования донных волн в однонаправленном и осциллирующем потоках. При этом в одних из них теоретический анализ ограничивается чисто качественными физическими соображениями с привлечением метода размерностей [1], в других - используются уравнения кинематики волнового потока с деформируемым дном [2]. Наиболее интересные результаты принадлежат моделям, в которых донные формы рассматриваются с позиции вих-реобразования на их склонах [3]. Однако в большинстве случаев теоретические исследования приводят к результатам, которые находятся в недостаточно удовлетворительном соответствии с имеющимися лабораторными и натурными данными.

Лабораторные исследования Бэг-нольда [4], положившие начало систематическому экспериментальному изучению

1бб)

условий возникновения рифелей в волновом потоке, дали ряд важных результатов и наметили основные пути решения этой глобальной задачи. Дальнейшие экспериментальные рабаты целого ряда авторов расширили знания о природе и механизме возникновения периодических донных образований в осциллирующих потоках и показали основные факторы, определяющие морфометрические характеристики рифелей - высоту, длину и крутизну [5-10]. Однако анализ натурных данных показал, что последние в ряде случаев не подчиняются эмпирическим зависимостям, полученным в лабораторных условиях [10]. Эта причина послужила поиску новых, физически обоснованных зависимостей, способных обобщить и привести в соответствие имеющиеся лабораторные и натурные данные.

С этой целью, используя аналогию между однонаправленным и волновым потоками, к которой, как уже говорилось ранее, прибегали в своих разработках некоторые исследователи, авторы ввели предположение о пропорциональности длины и высоты донных рифелей волнового генезиса толщине турбулентного нестационарного пограничного слоя. Это предположение связано с установленным фактом высокой степени корреляции между размерами русловых гряд и глубиной (однонаправленного течения в русле) потока [11].

В качестве исходного выражения для толщины нестационарного турбулентного пограничного слоя была выбрана зависимость Джонсона [9]:

и*

5 = 0,23-^. (1)

ю

Эта зависимость находится в соответствии с натурными данными (рис. 1) [12]. Здесь 5 - толщина нестационарного турбулентного пограничного слоя; ю = 2 п/ т; т - период ветровых волн; и*т - максимальная динамическая скорость в волновом потоке, которая рассчитывается по полученной авторами зависимости:

х \-0,154

и

0,158и„

а5

J

и?

; 200 ; К

и= 0,229^

(■ \ -0,222 Оъ

V К J

; 25 <-5- < 200; К

и*т = 0,319^

и*т = 0,373ит

и* = 0,377и

*т ' т

С \

а.

-0,325

V К J

с \

а5

V К J

г \

О

2,5 < — < 25;

К

-0,489

; 0,4<

а

5

Г \

а.

V К5 J

< 2,5;

;—< 0,4; К

и = ^

т 2пй„

где Кя = 2,5^сп ; аъ = Пт% / 2п ; .

0,01

10,0 100,0

а6-

к.

Рис. 1. Сопоставление эмпирической зависимости [12] и полуэмпирической связи Джонсона [9] для толщины нестационарного турбулентного пограничного слоя

Для проверки принятой гипотезы использовались лабораторные [1, 7] и натурные [6] данные (рис. 2, 3).

А , м

0,01

0,001

0,0001

Д= 108 1,

1

Ж1

& й 1"

• '..у,

0,0001

0,001

0,01 5, м

Рис. 2. Зависимость А = ^8): I - по Р. Д. Косьяну; х - по В. И. Виноградовой [и др.]; • - по Е. И. Масс

Ь, м

1,0

0,1

0,01

Ь = 518 1

1 /

!

•I Ци'

■ '..V 1 ■»»

У*

0,001

0,01 5, м

Рис. 3. Зависимость Ь = ^8): I - по Р. Д.

Косьяну; х - по В. И. Виноградовой [и др.]; • - по Е. И. Масс

Кб)

№ 1' 2012

В результате проведенного сопоставления получены эмпирические зависимости: А = 105; (2)

Ь = 515, (3)

где А и Ь - высота и длина донных рифелей.

Точность полученных зависимостей иллюстрируют рис. 4, 5 (где А Lp - рассчитанные значения высоты и длины ри-фелей).

Др/Д

2,0 Г

X

11

1S

V к

0,05

0,1 0,15 0,2 А , М

Рис. 4. Точность полученной зависимости (2) Результаты опытных данных по

0,5 1,0 1,5 2,0 Ь, М

Рис. 5. Точность полученной зависимости (3)

Дополнительная проверка связей (2) и (3) проведена на основании анализа лабораторных данных (таблица) [8].

Из таблицы видно, что проведенное сопоставление данных, вычисленных по зависимостям (2) и (3), и лабораторных данных [8] показывает удовлетворительную точность полученных зависимостей.

исследованию донных рифелей

Величи- № опыта

на 1 2 3 4 5 6 7 8

т, с 1,4 1,4 1,4 1,4 2,0 2,0 2,0 2,0

h, м ь7 0,157 0,153 0,151 0,154 0,165 0,165 0,168 0,168

1, м 2,54 2,58 2,64 2,59 4,12 4,18 4,10 4,16

V м 0,501 0,505 0,501 0,504 0,500 0,510 0,499 0,508

Um, м/с 0,218 0,210 0,214 0,214 0,301 0,291 0,292 0,286

ю, с-1 4,49 4,49 4,49 4,49 3,14 3,14 3,14 3,14

d, м 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002

ad К 97,15 93,58 95,36 95,36 191,60 185,23 185,87 182,05

U*m, м/с 0,0181 0,0176 0,0178 0,0178 0,0215 0,0209 0,0210 0,0206

Д, м 0,00093 0,0009 0,0009 0,0009 0,00157 0,00153 0,00154 0,00151

L, м 0,065 0,065 0,065 0,064 0,108 0,102 0,106 0,103

Д, м 0,011 0,010 0,010 0,010 0,015 0,016 0,015 0,016

L , м р 0,047 0,046 0,047 0,047 0,080 0,078 0,078 0,077

Д , м р' 0,0093 0,0090 0,0091 0,0091 0,0157 0,0153 0,0154 0,0151

Выводы

Для определения параметров донных рифелей в больших земляных каналах, работающих в условиях волнового потока, можно воспользоваться предложенными зависимостями (2) и (3).

1. Yalin M. S., Karahan E. On the geometry of ripples due to waves / Proc. 16th Coast. Eng. Conf. - Hamburg, 1978. -Vol 2. - N.Y., 1979. - P. 1776-1786.

2. Quick M. C. Wave - induced sand ripples // Can. J. Civ. Eng. - 1982. - № 2. -P. 285-295.

3. Fredsoe J., Broker I. Shape of oscillatory sand ripples // Prog. Rept. Inst. Hu-drodun. And Hydraulic. Eng. Techn. Univ.

№ 1'2012

Dep. - 1983. - № 58. - 19-29.

4. Bagnold R. A. Motion of waves in shallow water: interaction between waves and sand bottom // Proc. Royal. Soc. London. - Vol. 187. - P. 1-15.

5. Виноградова В. И., Масс Е. Е., Салуквадзе Н. И. Транспорт наносов волнами: Труды Закавказского НИИГМИ. -Вып. 37(43). - 1970. - С. 17-28.

6. Косьян Р. Д. Результаты натурных исследований рифелей на песчаных побережьях / Деп. в ВИНИТИ 4.04.85. -№ 2319-85. - М., 1985. - 84 с.

7. Масс Е. И. Исследование неразмыва-ющих скоростей волнового потока для несвязных и связных грунтов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Тбилиси, 1968. - 27 с.

5

8. Iniiiaii D. L., Bowen A. J. Flume experiments on sand transport by waves and current // Proc. 8th conf. Coastal. Eng. -Mexico City, 1963. - Vol. 2. - Р. 137-150.

9. Jonsson I. Wave boundare layers and frietion factors // Proc. 10th Conf. Coastal. Eng. - ASCE, 1967. - Р. 75-123.

10. Nilsen P. Some basic concepts of wave sediment transport // Inst. of Hydro-dyn and Hydraulic. Eng. Tech. Univ. Den. - Lyngby, 1979. - 160 p.

11. Сидорчук А. Ю., Михинов А. Е. Морфология и динамика руслового релье-

фа // Итоги науки и техники. - 1985. - Т. 5. - Серия «Гидрология суши». - 161 с.

12. Lambakos K. F. Seabed wave bound-are layer measurements and analysis // J. Geophys. - 1982. - V. 87. - Р. 4171-4189.

Материал поступил в редакцию 05.10.11. Эшев Сабир Саматович, кандидат технических наук, доцент Тел. 8 (99875) 203-70-00 E-mail: telnets@mail.ru Мурадов Навруз Курбанович, аспирант Тел. 8 (99875) 112-32-36

УДК 502/504 : 532.5 Д. М. ГРЕКОВ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

РАСЧЕТ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ В СТАБИЛИЗАТОРЕ ДАВЛЕНИЯ

Приведены различные математические модели стабилизаторов давления: линейная и нелинейная. В линейной модели стабилизатора давления рассмотрены свободные колебания жидкости и апериодическое движение жидкости, выполнен расчет движения жидкости в стабилизаторе.

Переходные процессы, стабилизаторы давления, пневмостабилизаторы, гидравлический удар, математическая модель.

There are given different mathematical models of pressure stabilizer: linear and nonlinear. In the linear model of pressure stabilizer there are considered free liquid fluctuations and aperiodic liquid motion, calculation of liquid motion in the stabilizer is fulfilled.

Transitional processes, pressure stabilizers, pneumostabilizers, hydraulic impact, mathematical model.

В процессе проектирования и экс- ных и ударных процессов на трубопровод

плуатации напорных систем водопода- приводят к многократному увеличению

чи трубопроводов необходимо учитывать скорости коррозии и уменьшению срока

происходящие в них гидравлические его эксплуатации. Стабилизаторы давле-

переходные процессы. Резкие колебания ния являются эффективным и современ-

давления могут привести к разрушению ным способом разрешения перечислен-

трубопроводов [1]. ных проблем. Стабилизаторы предназна-

При гидравлических ударах возни- чены для гашения пульсаций давления,

кают аварии, которые наносят существен- вызванных изменением режима работы

ный экономический и экологический насосного агрегата или трубопроводной

ущерб, поэтому вопросы охраны природы арматуры.

с основами экологии в водохозяйственном В настоящей статье рассмотрены ли-

строительстве весьма актуальны. Кроме нейная и нелинейная модели стабилизато-

того, воздействия волновых, вибрацион- ра давления и выполнен расчет движения

(б8\

№ 1' 2012