Введение к работе
Актуальность темы исследований. Уточнение кинематических характеристик течения в турбулентных потоках необходимо для прогнозирования кавитационной эрозии водосбросных сооружений, турбинного и насосного оборудования, при обтекании потоком местных сопротивлений, при расчете обтекания и теплового баланса зданий и сооружений, решении задач тепломассопереноса в атомной и тепловой энергетике, ракетной и авиационной технике, при рассмотрении вопросов взвешивания и транспорта наносов в каналах и реках. Решение этих задач связано с необходимостью уточнения распределения скоростей в турбулентных потоках.
В научном плане детальное изучение кинематической структуры турбулентных потоков с использованием новейших данных по турбулентности и распределению скоростей необходимо для уточнения ряда базовых положений гидравлики, что подтверждает актуальность темы диссертационной работы.
Степень разработанности темы исследований. Распределение скоростей в
турбулентных потоках считается достаточно хорошо изученным. Раньше считалось, что
непосредственно вблизи стенки течение носит чисто вязкий характер и этот слой назывался
ламинарной плёнкой. Однако, как показали наблюдения, течение в этой зоне потока является
нестационарным (Г. Эйнштейн и Г. Ли (1956); В.С. Боровков и Ф.Г. Майрановский (1979); Ю.В.
Брянская (2001): в отдельные периоды времени течение вблизи твердой границы имеет чисто
вязкий характер – в другие моменты времени в той же точке наблюдения течение жидкости
приобретает турбулентный характер. Эти особенности течения влияют на процесс переноса
количества движения и импульса силы трения в потоке. Для теоретического описания
турбулентного течения применяются уравнения Навье-Стокса и О. Рейнольдса. Для
практических расчетов параметров турбулентных потоков обычно используются
феноменологические подходы, предложенные Ж. Буссинеском (1877), Т. Карманом (1936), Л. Прандтлем (1936), которые позволили получить логарифмическое распределение скоростей, попытки его уточнения, предпринятые как отечественными, так и зарубежными учеными (А.А. Саткевич (1934), М.А. Великанов (1954), А.М. Обухов (1988), А.В. Караушев (1960), А. Д. Альтшуль (1982), Д. Коулс (1956), И.О. Хинце (1963), Дж. Бэтчелор (1973), М. Восник (2000) и др.), носят в основном эмпирический характер. Разработанные методы и гипотезы не отражают в полной мере особенностей структуры турбулентного потока, выявленных новейшими исследованиями турбулентности и распределения скоростей. До настоящего времени полной непротиворечивой концепции турбулентного течения не существует.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационного исследования состояла в уточнении распределения скоростей при турбулентном течении в гладких трубах, каналах и пограничных слоях.
Областью исследований является гидравлика турбулентных течений в трубах, каналах и пограничных слоях.
Объектами исследования являются водные и воздушные потоки в цилиндрических трубах, широких гладких каналах и пограничных слоях без продольного градиента давления.
Рабочая гипотеза. Поставленная цель может быть достигнута на основе экспериментально-аналитического рассмотрения кинематических характеристик турбулентного
течения в различных зонах потока с учетом нестационарности течения в вязком подслое, перемежаемости течения в буферной зоне, уточнения «констант» турбулентности для логарифмического распределения скоростей и использования уточненной гипотезы Ж. Буссинеска для турбулентного трения в ядре потока.
В соответствии с поставленной целью в задачи диссертационных исследований входило следующее:
-
Исследовать распределение скоростей в непосредственной близости от твердой границы потока с учетом изменения напряжения трения с расстоянием от стенки.
-
На основе анализа данных измерений турбулентных пульсаций скорости и корреляции между ними уточнить турбулентную и вязкую составляющие трения в пристеночной зоне потока и определить распределение скоростей в буферной зоне с учетом перемежаемости течения.
-
Определить границы буферной зоны и слоя с логарифмическим распределением скоростей.
-
Уточнить значения «констант» турбулентности для логарифмического распределения скоростей.
-
Обосновать и проанализировать модель турбулентного течения на основе модифицированной формулы Ж. Буссинеска, предусматривающей зависимость трения от квадрата скорости течения в ядре потока.
-
Дать примеры использования уточненных распределений скоростей при решении инженерных задач.
Научная новизна исследований
-
Получено уточненное распределение скоростей в пристеночной зоне потока с учетом перемежаемости течения и уточненной величины вязкой составляющей трения в этой зоне.
-
Определены границы буферной зоны и слоя с логарифмическим распределением скоростей, для которого уточнены значения «констант» турбулентности.
-
Предложена модель турбулентного течения в ядре потока на основе модифицированной формулы Ж. Буссинеска, которая предусматривает зависимость трения от квадрата скорости течения.
-
Получен профиль скорости для ядра турбулентного потока интегрированием динамического уравнения, основанного на модифицированной формуле Ж. Буссинеска, подтверждённый экспериментально.
Теоретическая и практическая значимость работы
В научном плане детальное изучение кинематической структуры турбулентных потоков с использованием новейших данных по турбулентности и распределению скоростей необходимо для уточнения базовых положений гидравлики для создания в перспективе полной непротиворечивой концепции кинематической структуры турбулентного течения.
Практическая значимость связана с необходимостью решения инженерных
гидравлических задач, требующих использования профилей скорости высокой точности.
Методология и метод исследований
Повышение достоверности прогнозирования гидравлических, кинематических и динамических характеристик турбулентных потоков может быть достигнуто на основе использования непротиворечивых положений, описывающих взаимодействие потока с твердыми границами и перенос количества движения и импульса силы трения от твердой границы в толщу потока.
Метод исследований – экспериментально-аналитический, предусматривающий
использование математических моделей и статистического анализа данных гидравлических измерений, выполненных на современном оборудовании.
Личный вклад
Личный вклад автора в решение исследуемой проблемы заключается в обобщении, систематизации и развитии теоретических составляющих исследуемых вопросов, а также разработке моделей течения в буферной зоне с учетом нестационарности течения. Автором разработана методология определения распределения скоростей в буферной зоне, уточнены «константы» турбулентности в границах слоя Прандтля, установлены границы характерных слоев при турбулентном течении в трубах и каналах. Разработана модель турбулентного трения в ядре потока на основе модифицированной формулы Ж. Буссинеска и гипотезы И. Ньютона о внутреннем трении в потоке, получен профиль скорости три турбулентном течении в ядре потока. Проведены экспериментальные исследования в гладком широком канале с использованием лазерного доплеровского измерителя скорости в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Соискателем самостоятельно получены, интерпретированы и апробированы результаты исследования. Апробация разработанных методов доказала широкий спектр применения полученных методов и зависимостей. Из совместных включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю публикаций в диссертацию.
Положения, выносимые на защиту:
Уточненное распределение скоростей в непосредственной близости от стенки, полученное с учетом данных о турбулентных продольных и вертикальных пульсациях скорости и коэффициента корреляции между ними.
Распределение скоростей в буферной зоне, отражающее нестационарность течения в вязком подслое.
Зависимости для расчета положения границ буферной зоны и слоя Прандтля.
Формулы для расчета «констант» турбулентности логарифмического распределения скоростей.
Уточненная модель турбулентного трения в ядре потока на основе модифицированной формулы Ж. Буссинеска о зависимости внутреннего трения в потоке от квадрата скорости.
Распределение скоростей в ядре турбулентного потока, основанное на уточненной формуле Ж. Буссинеска для внутреннего трения.
Степень достоверности и апробация результатов
Результаты диссертационных исследований, основанные на применении основных закономерностей гидравлики, стандартных методов измерений и обработки экспериментальных
данных, подтвержденные результатами отечественных и зарубежных исследователей, являются достоверными.
Основные результаты диссертационных исследований прошли научную апробацию, докладывались на научно-технической конференции МГСУ 2016 года и опубликованы в 2 статьях в Вестнике МГСУ, который входит в перечень изданий, рекомендованных ВАК.
Отдельные результаты работы были использованы при определении динамических нагрузок на элементы гибких бетонных покрытий для защиты трубопроводов на речных переходах.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы и 3 приложений. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 8 таблиц в основном тексте и 6 таблиц в приложениях, 115 наименований использованной литературы, из которых 56 иностранных источников.