У статті розглядаються три фрагмента з області динаміки руслових потоків: три теоретичних визначення, сформульовані К. В. Гришанін, в порівнянні з результатами експериментів, виконаних авторами доповіді в різний час в руслових лабораторії ГГИ.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Клава А. Б., Коковина В. Н.


Three theoretical propositions from dynamics of alluvial stream stated by K. V. Grishanin are considered. Its compared with results of a series experiments carried out by authors in the Channel laboratory of SHI.


Область наук:

  • фізика

  • Рік видавництва: 2010


    Журнал: Вісник державного університету морського і річкового флоту ім. адмірала С.О. Макарова


    Наукова стаття на тему 'Макроструктура швидкісного поля потоку і форми руху руслових наносів'

    Текст наукової роботи на тему «Макроструктура швидкісного поля потоку і форми руху руслових наносів»

    ?II університету

    'ЖУРНАЛ водних / / комунікації

    УДК 556.536 А. Б. Клава,

    д-р техн. наук, ст. науч. співр., Державний гідрологічний інститут

    (Санкт-Петербург);

    В. Н. Коковина,

    Державний гідрологічний інститут,

    (Санкт-Петербург)

    Макроструктура ШВИДКІСНОГО ПОЛЯ ПОТОКУ І ФОРМИ РУХУ руслових наносів

    THE VELOCITY MACROSTRUCTURE OF THE WATER FLOW AND MOVEMENT FORMS OF THE CHANNEL SEDIMENT

    У статті розглядаються три фрагмента з області динаміки руслових потоків: три теоретичних визначення, сформульовані К. В. Гришанін, в порівнянні з результатами експериментів, виконаних авторами доповіді в різний час в руслових лабораторії ГГИ.

    Three theoretical propositions from dynamics of alluvial stream stated by K. V. Grishanin are considered. It's compared with results of a series experiments carried out by authors in the Channel laboratory of SHI.

    Ключові слова: руслових наноси, форми руху, турбулентність, швидкості, вихори, шорсткість, річковий потік, гідравлічна модель.

    Key words: bed sediments, velocity shapes, turbulence, velocities, eddies, roughness, river stream, hydraulic model.

    CM ж u

    Ф

    Изические експеримент чудовий тим, що він, з одного боку, відкриває нове в досліджуваних явищах і процесах, а з іншого - дає матеріал для перевірки правильності гіпотез, теоретичних побудов, вірності і ефективності обраного напрямку досліджень.

    Ці положення ілюструються в доповіді розглядом трьох фрагментів з області динаміки руслових потоків, сформульованих перш теоретично К. В. Гриша-ніним і підтверджених і розвинених потім експериментально авторами доповіді.

    Фрагмент 1. Визначальними в турбулентної структурі руслового потоку (по ефективності його впливу на річкове дно) є великі вихори, поперечний розмір яких близький або дорівнює глибині потоку і які формують глобальні масштаби в енергетичному спектрі турбулентності.

    Припустивши, що період часу між проходженням через фіксований створ двох послідовних великих вихорів дол-

    дружин залежати від темпу генерації цих вихорів, тобто від інтенсивності породження турбулентності, і, крім того, повинен бути пов'язаний з розмірами вихорів і, отже, з поперечним розміром потоку, а також взявши до уваги, що виробництво енергії турбулентності одно дисипації енергії, Гриша -нін отримав формулу для періоду великих вихорів у вигляді

    і

    CL g

    sl / 3

    (1)

    а для кроку великих вихорів формулу у вигляді

    L = TU = h

    g

    (2)

    де h - глибина потоку, U - середня швидкість течії, C - коефіцієнт Шезі, g - прискорення сили тяжіння.

    Ставлення h / L визначає величину числа Струхала для ланцюжка великих вихорів руслового потоку

    університету водних комунікацій

    пісок розміром 1,0-2,0 мм, тобто крупність умовної натури.

    Таким чином, сформульований К. В. Гришанін висновок про виборчу здатності системи «потік-русло» і результати виконаної масштабної серії лоткові експериментів привели нас до необхідності введення до складу відомих критеріальних умов додаткового і обов'язкову умову (якщо мова йде про деформируемой моделі), відповідального за подобу механізму взаємодії потоку і русла, складеного зернистим незв'язним грунтом (що рівносильно подобою механізму взаємодії руслового потоку з подрусловой водою). Це додаткова умова може бути виражено співвідношеннями At / T = idem (10)

    і

    A2 / A1 = idem, (11)

    де At - фазовий зсув, T - період великих вихорів, A1 і A2 - амплітуда пульсуючою величини (швидкості або тиску) відповідно в русловому потоці і в подрусловой воді, що відносяться до періоду T [8-9].

    Складність встановлення характеристик At і A2 не закриває, однак, можливості експериментування на деформуються моделях ділянок річок.

    Виборча здатність системи «потік-русло» проявляється як якийсь масштабний ефект в досить вузькому діапазоні поєднання гідравлічних характеристик і крупності руслових наносів. Тому, якщо складна ситуація виникає з моделюванням гірської річки, вийти з неї можна деякою зміною масштабу моделі (наявний досвід моделювання ділянок гірських річок підтверджує таку можливість).

    При моделюванні ділянок рівнинних річок умови (10) і (11) стають незначними через мелкозернистости руслових наносів і, як наслідок, ламинаризации подрусловой потоку. В цьому випадку для подібності структури руслової макротурбулент-

    ності досить виконати умови (7) - (9). Разом з тим з'являється труднощі з моделюванням крупності і рухливості руслових наносів.

    Очевидно, що модельні наноси, як і натурні, повинні формувати ламина-різірованний подрусловой потік. Але, залишаючись по крупності навіть на рівні дрібнозернистого піску, вони все одно будуть значно більшими, ніж того вимагає масштаб моделі.

    Для подібності рухливості таких наносів повинна бути підібрана відповідна щільність матеріалу, тобто на моделі повинен використовуватися замінник природного піску. Порушення подібності по відносній зернистої шорсткості усувається вибором такого масштабу моделі, при якому відношення крупності модельних наносів до глибини потоку не перевищувала б 0,001. К. В. Грі-Шанін, аналізуючи зв'язок безрозмірною глибини з відносною гладкістю русла, зазначає: «Таким чином, верхня межа області автомодельности по відносній зернистої шорсткості визначається значенням відносної шорсткості = N = 0,001» [2, с. 101]. До такого ж висновку прийшли і ми, аналізуючи результати великої серії лабораторних експериментів [9].

    Таким чином, дотримання розглянутих вище умов подібності та використання зазначених прийомів приведення до подоби ситуацій, що виникають в області прояви масштабних ефектів, дозволяє розраховувати на подібне відтворення руслового процесу принаймні на структурному рівні внутріруслових морфологічних утворень.

    На закінчення відзначимо, що розглянуті в ньому три фрагмента динаміки руслових потоків, будучи генетично пов'язаними між собою, об'єднані ще й однією метою: спробою експериментального обгрунтування методики моделювання руслового процесу на деформуються моделях з використанням чудових ідей К. В. Гришаніна.

    во про-

    X 2


    Ключові слова: руслових наносів /ФОРМИ РУХУ /турбулентність /ШВИДКОСТІ /вихор /ШОРСТКІСТЬ /РІЧКОВИЙ ПОТІК /ГІДРАВЛІЧНА МОДЕЛЬ /BED SEDIMENTS /VELOCITY SHAPES /TURBULENCE /VELOCITIES /EDDIES /ROUGHNESS /RIVER STREAM /HYDRAULIC MODEL

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити