CC BY
70УДК 502/504 : 631.6.02 : 620.193.15
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К РАСЧЕТУ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЭФФЕКТИВНОГО ДАВЛЕНИЯ УДАРА КАПЕЛЬ ИСКУССТВЕННОГО ДОЖДЯ О ПОЧВУ И ТВЕРДУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
Поступила 04.04.2016 г.
© С. В. Брыль', М. С. Зверьков2
'Коломенский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», г. Коломна 2Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образование «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К. А. Тимирязева», г. Москва
THE THEORETICAL APPROACHES FOR CALCULATION
OF THE VERTICAL EFFECTIVE PRESSURE OF DROP IMPACT OF ARTIFICIAL RAIN
ON SOIL AND HARD SURFACE
Received April 04, 2016
© S. V. Bryl', M. S. Zverkov2
'Kolomna Institute of Moscow State Technical University «MAMI», Kolomna, Russia 2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Russian Timiryazev State Agrarian University», Moscow
В статье рассматривается вопрос расчета вертикального эффективного давления капель искусственного дождя на почву и твердую поверхность. Отмечается, что задача определения эффективного вертикального давления p капель дождя на почву хотя и является сложной, однако имеет решение с использованием законов Ньютона. Этим вопросом занимались В. В. Сластихин, Г. и А. П. Исаев, В. М. Московкин и В. Ф. Гахов и др., а учеными Н. С. Ерховым , Б. М. Лебедевым, В. И. Городничевым и др. предложены различные подходы для определения давления p в условиях мелиорации (искусственного дождевания). Этими вопросами занимались и зарубежные исследователи. Выделены зависимости, по мнению авторов статьи, наиболее подходящие для исследования удара капель искусственного дождя с помощью запатентованного устройства, а также сравнения полученных результатов с данными исследователей, занимающихся вопросами капельной эрозии и определения ударных характеристик капель о твердые поверхности.
Ключевые слова: капельная эрозия, капля, удар капли, вертикальное эффективное давление, разбрызгивание почвы.
В гидродинамике удар капель о почву рассматривается как удар струи жидкости о твердую поверхность [1]. Жидкие струи могут быть затопленными и незатопленными. Движение последних происходит в воздухе (газовой среде). Среди этих струй выделяют дождевальные струи. Причем в зависимости от технических средств орошения, струи могут быть получены от применения среднеструйных дождевальных аппаратов и при использовании короткоструйных насадков - струи малой толщины или пленки. Пленка на выходе через насадки различных конструкций, как уже было отмечено, распадается на капли тем мельче, чем ближе к насадку. Как отмечает профессор Д. В. Штеренлихт, при полете струи на нее действуют сила тяжести,
The article considers the problem of calculating the vertical effective pressure drops of artificial rain on soil and hard surfaces. It is noted that the problem of determining the effective vertical pressure p drops of rain on soil although it is difficult, however, has a solution using Newton's laws. This issue V. V. Slastenin, G. and A. P. Isaev, V. M. Moskovkin and V. F. gahs, etc., and N scientists. Erowyn S., M. B. Lebedev, V. I., Gorodnichev, etc. proposed different approaches for determining the pressure p in terms of land reclamation (artificial irrigation). These issues dealt with and foreign researchers. Selected according to, according to the authors, the most suitable for the study of impact of the drops of artificial rain with the help of the patented device, and also to compare the obtained results with those of researchers dealing with the drip of erosion and determining the impact performance characteristics of droplets on a solid surface.
Keywords: splash erosion, drop, drop impact, the vertical effective pressure, soil splash.
сопротивление воздуха и силы внутри струи, которые связаны с турбулентностью и колебательно-волновым движением жидкости в струе. Совместное действие всех этих сил приводит струю к распаду. Капли, образовавшиеся после распада, находятся под действием еще и сил поверхностного натяжения [2].
Если струя встречает преграду, то она оказывает динамическое воздействие на эту преграду. Это воздействие тем сильнее, чем струя компактнее. Из физики известно, что давление p, которое оказывает тело на поверхность, прямо пропорционально силе воздействия и обратно пропорционально площади wo опоры (контакта), на которую распространяется это воздействие. Будем рассматривать каплю как струю, а поверхность почвы как преграду. Введем
обозначение силы динамического воздействия капли (струи) на преграду - N. В соответствии с общеизвестными законом и формулой, чем больше величина N и меньше юо, тем давление капли в момент удара на почву выше.
Решение задачи по определению силы удара струи о преграду рассмотрено в теории гидравлики с помощью применения теоремы об изменении количества движения массы жидкости. В случае удара о плоскую поверхность сила удара N равна силе воздействия преграды на струю. Однако в связи с искривлением линий тока при растекании фактическое значение N на 5...8 % меньше N = (0,92...0,95)рши2,
где wо - площадь живого сечения струи; V - скорость движения струи [2].
Вместе с тем, учение и модели эрозии базируются на статистических зависимостях от метеорологических условий и данных о потерях почвы. И хотя физические и химические процессы имеют универсальную природу, компоненты эрозионного процесса и его условия очень вариабельны, особенно при дождевании [3].
Задача определения эффективного вертикального давления р капель дождя на почву хотя и является сложной, однако имеет решение с использованием законов Ньютона. Этим вопросом занимались В. В. Сластихин [4], Г. и А. П. Исаев [5, 6], В. М. Московкин и В. Ф. Гахов [7] и др., а учеными Н. С. Ерховым [8], Б. М. Лебедевым [9], В. И. Городничевым [10] и др. предложены различные подходы для определения р в условиях мелиорации (искусственного дождевания). Этими вопросами занимались и зарубежные исследователи.
Процесс свободного падения в газовой среде капли массой т с начальной скоростью V,, и высоты h от твердой поверхности показан на рисунке 1 [11, 12].
Рассмотрим момент удара капли о поверхность. В этот момент в месте контакта капли с поверхностью возникает высокое давление, которое обусловлено малой площадью контакта юо. Причем в направлении, противоположном ее движению, начинает распространяться волна торможения. Волна торможения (сжатия) перемещается от места столкновения по длине струи (капли) со скоростью звука в воде, т. е. с = 1,5 • 103 м/с [13]. Тогда давление струи о преграду будет определяться так:
Р = рсУ, (1)
где с - скорость звука в воде, с = 1,5 • 103 м/с; р - плотность жидкости, кг/м3; V - скорость капли в момент удара, м/с.
а б в
Рис. 1. Схема падения (а), удара (б) и разбрызгивания (в) капли: 1 - капля; 2 - инъектор; 3 - контактная поверхность; 4 - передняя кромка капли; 5 - момент удара; 6 - процесс распространения в капле ударной волны; 7 - растекание капли;
8 - деформация свободной поверхности;
9 - образование ламеллы; 10 - образование «коронки» и разрушение капли; N - сила удара капли о поверхность
В выражении (1) геометрические размеры струи (капли) отсутствуют и его можно применять для анализа удара капли о твердую преграду [1, 13]. Многочисленными расчетами и лабораторными исследованиями также доказана высокая точность применения этого выражения для случая удара о твердую поверхность [14, 15]. Скорость падения V капли определяют по закону сохранение энергии.
Формула (1) дает приближенное значение величины р. Строгое гидромеханическое решение этой задачи учитывает кумулятивный эффект волн давления, возникающих в капле в начальной фазе удара о твердую поверхность. Оно представлено в дифференциальном виде и требует применения численных методов расчета [16]. В момент удара о поверхность, в том числе о поверхность почвы, капля ведет себя как твердое тело. Однако, как подтверждают многочисленные исследования зарубежных ученых, продолжительность действия давления на почву в этот момент настолько короткое, что оно не влияет на эрозию [17]. В ранних исследованиях этого процесса показано схожее с эффектом гидравлического удара воздействия капель на твердые поверхности [1, 13, 18].
№ 1, 2016
17
Во второй фазе удара давление в капле резко падает, и она растекается по поверхности. Причем распределение давлений симметрично относительно точки удара[19,20].В экспериментах американских ученых установлено, что максимальное давление на почву приходится на некотором расстоянии от точки удара. Похожие результаты имели место в исследованиях с твердыми поверхностями, однако давление на почву было намного меньше [14, 19, 21]. Так максимальное давление удара о почву в эксперименте M. A. Nearing от падения 5,6 мм капли с высоты 14 м на некотором расстоянии (сопоставимым с размерами капли) от точки удара составило порядка 400 кПа, а в соответствии с приведенными им графическими данными вблизи удара давление в этих условиях составило 100 кПа [15, 21].
По мнению H. Ghadiri существует две причины появлению такого кольца высокого давления вокруг точки удара. Во-первых, само воздействие длится очень короткий промежуток времени примерно тысячные и десятитысячные доли секунды [7, 17]. В работе [12] авторами данной статьи приводятся данные, что удар длится 7,8...8 • 10-5 c для капель 1,73...2,73 мм. Во-вторых, от точки удара распространяется боковой (радиальный) поток, и именно он способствует образованию сферических каверн на поверхности почвы. Скорость радиального потока больше скорости капли в момент удара [19, 22]. В результате этого в почве возникает сопротивление сдвигу t, от величины которого зависит характер эрозии. Причем величина сопротивления сдвигу не зависит от размеров капли или от прочности агрегатов почвы [23].
К концу второй фазы удара возникает так называемая «корона» из брызг. Характеристики «короны» зависят от влажности почвы, наличия или отсутствия слоя воды на ее поверхности, а также шероховатости поверхности [23, 24].
M. M. Al-Durrah и J. M. Bradford также исследовали капельную эрозию почв. Ими был проведен эксперимент ударного действия капель дождя, в результате которого была получена серия изображений скоростной фотосъемки, позволившая описать механизм эрозии разбрызгивания. Установлено, что при ударе на поверхности почвы остается небольшая ямка, почва уплотняется, а капля растекается по
поверхности ямки. Обобщая результаты эксперимента, получена зависимость между углом вылета разбрызганных почвенных частиц и их массой [25]: 0 = 40,5т-0'425,
Б '
где 0в - угл вылета почвы, градусы; т - сопротивление почвы сдвигу, кПа.
Масса разбрызганной почвы зависит от устойчивости почвы к деформациям и сил сцепления между частицами, т. е. связности. Связность определяет величину сопротивления сдвигу [25].
При ударе капли о почву возникают две ударные волны - в твердой и жидкой фазах, что детально описано в работе М. А. ^ап^ [15]. Для понимания механики процесса разбрызгивания и деформации почвы при капельной эрозии важно знать вертикальное эффективное давление ре, которое можно определить по зависимости: Ре = Р - Р^ (2)
где р{ - полное давление, оказываемое каплей на почвенный скелет (в твердой фазе); рр - полное давление в поровой влаге (в жидкой фазе).
В [15] М. А. ^агтд описывает методику для расчета вертикального эффективного давления ре с помощью зависимости (2). Полное давление р(, оказываемое каплей на почвенный скелет (в твердой фазе) определяется по выражению: Р = рс/[Р, + Рр(рр^р/р^) + рс/р,Щ, (3)
где и Рр - часть почвы, в которую проникает волна соответственно по твердой фазе почвы и по поровой жидкости; р{ и рр - плотность соответственно материала, перемещаемого волной в скелетной части почвы, и материала, перемещаемого волной в поровой жидкости, кг/см3; и{ и ир - скорость волны соответственно в скелете почвы и поровой жидкости, м/с [1].
Полное давление рр в поровой влаге (в жидкой фазе) определяется так:
Рр = рс/[Рр + РДри/ррЦ,) + рc/рpиp], (4)
Методика определения параметров, входящих в зависимости (3)-(4), описана в [15].
В работе [11] описан способ измерения времени удара капли о твердые поверхности и почвы с помощью запатентованного прибора [26] (рис. 2), в который положен принцип определения акустических параметров удара. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости более тщательного определения времени удара капли. С помощью устройства для измерения динамического действия дождя возможно получение более точных значений времени. Данные экспериментов позволяют расширить спектр применения этого прибора.
а б
Рис. 2. Прибор измерения динамического действия дождя на почву: а - общий вид; б - образец почвы, помещенный на мембрану прибора; 1 - пластиковая мембрана; 2 -крепление; 3 - корпус прибора с строенным узлом регистрации звука (микрофоном); 4 - разъем подключения «мини-джек» с кабелем; 5 - образец почвы
Выводы
Проведен литературный обзор, в результате чего выделены зависимости, по мнению авторов статьи, наиболее подходящие для исследования удара капель искусственного дождя с помощью запатентованного устройства [26] и методики [11], а также сравнения полученных результатов с данными исследователей, занимающихся вопросами капельной эрозии и определения ударных характеристик капель о твердые поверхности.
Библиографический список
1. Касьянов А. Е. Баллистика капельной эрозии почв: Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем: материалы Международной научно-практической конференции. - М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2013. - С. 210-215.
2. Штеренлихт Д. В. Гидравлика: Учебник для вузов. - М.: КолосС, 2004. - 656 с.
3. Trout T. J., Neibling W. H. Erosion and sedimentation processes on irrigated fields // Journal lrrig. Drain. Eng. - 1993 - Vol. 119. - P. 947-963.
4. Сластихин В. В. К расчету силы удара капли дождя // Проблемы географии Молдавии. - Вып. 6. - 1971. - С. 32-36.
5. Исаев А. П. Оценка технологических возможностей дождевальной техники на основе определения допустимых норм полива: Улучшение эксплуатации оросительных систем и планировка орошаемых земель. - М.: Колос, 1982. -С. 67-78.
6. Исаев А. П., Сергеев В. А., Дидур В. А. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов. - М., 1990. - С. 289-296.
7. Московкин В. М., Гахов В. Ф. Физические аспекты капельно-дождевой эрозии // Почвоведение. - 1979. - № 12. - С. 76-80.
8. Ерхов Н. С. Мероприятия по предупреждению ирригационной эрозии почв при дождевании // 1981. - № 6 . - С. 54-57.
9. Лебедев Б. М. Дождевальные машины.
- М.: Машиностроение, 1977. - 222 с.
10. Городничев В. И. Методика оценки и технические средства контроля показателей режима и качества полива при госиспытаниях дождевальной техники: Ресурсосберегающие экологически безопасные системы орошения и сельхозводоснабжения: сб. трудов ФГНУ ВНИИ «Радуга». - Коломна: ФГНУ ВНИИ «Радуга», 2002. - С. 78-83.
11. Зверьков М. С. Численные исследования удара капли о твердую поверхность // Природообустройство. - 2015.
- № 2. - С. 17-20.
12. Брыль С. В., Зверьков М. С. Вертикальное эффективное давление удара капли о почву // Природообустройство. -2016. - № 2. - С. 62-67.
13. Alder W. F. The mechanics of liquid impact: Treatise on Material Science and Technology. - N. Y.: Preece, C. M., Ed.; Academic Press. - 1979. - Vol. 16. - P. 127183.
14. Hwang J. B. G., Hammitt F. G. High-speed impact between curved luiquid surface and riged flat surface // Journal Fluids Engineering. - 1977. - Vol. 99. - P. 346-404.
15. Nearing M. A. The mechanics of soil detachment by raindrops and runoff // Eurasian Soil Science. - 1997. - Vol. 30. -№ 5. - P. 552-556.
16. Чижов А. В., Шмидт А. А. Взаимодействие капли жидкости с твердой поверностью // Письма в Журнал Технической Физики. - 1996. - Т. 22. - Вып. 3. - С. 57-63.
17. Ghadiri H. Raindrop impact and splash erosion // Encyclopedia of soil science.
- 2006. - P. 1428-1432.
№ 1, 2016
19
18. Engel O. G. Waterdrop collisions with solid surfaces // Journal of Research of the National Bureau of Standards. - 1955. - Vol. 54. - № 5. - P. 281-298.
19. Huang C., Bradford J. M., Cushman J. H. A numerical study of raindrop impact phenomena: the rigid case // Soil Science Society of America Journal. - 1982. - Vol. 46.
- P. 14-19.
20. Richard D., Clanet C., Quere D. Contact time of a bouncing drop // Nature. - 2002. -Vol. 417. - P. 811.
21. Nearing M. A. , Bradford J. M., Holtz R. D. Measurement of waterdrop impact pressures on soil surfaces // Soil Science Society of America Journal. - 1987. - Vol. 51. - P. 1302-1306.
22. Yarin A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing // Annual Review of Fluid Mechanics. - 2006. -Vol. 38. - P. 159-192.
23. Ghadiri H., Payne D. Raindrop impact and soil splash // Journal soil science. - 1978.
- Vol. 38. - № 2 - P. 38-57.
24. Ghadiri H., Payne D. The formation and characteristics of splash following raindrop impact on soil // Journal soil science. - 1988. -Vol. 39. - P. 563-575.
25. Al-Durrah M. M., Bradford J. M. The
mechanism of raindrop splash on soil surfaces // Soil Science Society of America Journal. -1982. - № 46. - P. 1086-1090.
26. Устройство для измерения динамического действия дождя на почву: Пат. 155056 (Российская Федерация, МПК G 01 N33/24, A 01 G 25/00 / Авторы, заявители и патентообладатели: А. Е. Касьянов, М. С. Зверьков. - № 2015107899; заявл. 05.03.2015; опубл. 20.09.2015. - Бюл. № 26. - 1 с.
Сведения об авторах Брыль Сергей Валерьевич, кандидат технических наук (e-mail: [email protected]). Зверьков Михаил Сергеевич, ассистент (e-mail: [email protected]).
Information about the authors Bryl Sergei Valerevich, сandidate of technical sciences (e-mail: [email protected]). Zverkov Mikhail Sergeevich, assistant (e-mail: [email protected]).
Для цитирования: Брыль С. В., Зверьков М. С. Теоретические подходы к расчету вертикального эффективного давления удара капель искусственного дождя о почву и твердую поверхность // Экология и строительство. - 2016. - № 1. - С. 16-20.
УДК 502/504 : 631.67 : 631.6.02
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОРОШЕНИЯ ДЛЯ РЕГИОНОВ ГОРНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ В АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКЕ
Поступила 30.04.2016 г.
© 3. Г. Алиев, Мамедова Гюлнара Исрафил кызы, Хокуме Айхан
Институт Эрозии и Орошения Национальной Академии Наук Азербайджанской Республики, г. Баку, Азербайджанская Республика
SCIENTIFIC SUBSTANTIATION OF RATIONAL TECHNOLOGY OF IRRIGATION FOR THE REGIONS OF MOUNTAIN AGRICULTURE IN THE REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Received April 30, 2016
© Z. G. Aliev, Mamedova Gulnara Israfil kyzy, KHokume Aikhan
Azerbaijan Scientific-Research Institute of Irrigation and Erosion of Azerbaijan National Academy of Sciences, Baku, Republic of Azerbaijan
В статье рассматривается проблема научного обоснования рациональной технологии орошения для региона горного земледелия в Республике Азербайджан. Авторами отмечается, что необходимо заменить открытую оросительную сеть в земляном русле с применением более совершенных поливных устройств. Авторами разработаны принципиальные схемы для орошения склонов для к различным уклонов местности. Отмечается, что преимуществом полива по микробороздам является снижение размыва почвы, равномерное увлажнение по ширине междурядий и по длине поля, уменьшение поверхностного сброса и увеличение производительности труда.
Ключевые слова: орошение, уклоны, полив по бороздам, эрозия почвы.
The article considers the problem of scientific substantiation of rational technology of irrigation for the region, mountain agriculture in the Republic of Azerbaijan. The authors observed that the need to replace open irrigation network in earthen channel with improved irrigation devices. The authors have developed concepts for the irrigation of slopes with different slope. It is noted that the advantage of irrigation microbiota is the reduction of soil erosion, uniform humidification across the width of the aisles and along the length of the field, reduction of surface relief and increase productivity.
Keywords: irrigation, slopes, irrigation furrows, soil erosion.
