автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гашение волн течениями в практических задачах волновой гидравлики

Щ 'л '1 п"г.}

¿ч _ М ^ МИНСТРОЯ РОССИИ

ВСЕРОССИЙСКИЙ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ КОМПЛЕКСНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, КАНАЛИЗАЦИИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ (ВНИИ ВОДГЕО)

На правах рукописи УДК 532.1:627.67

ДРАГАНЧЕВА Дорина Христова

Гашение волн течениями в практических задачах волновой гидравлики

(05.23.16 — гидравлика и инженерная гидрология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

го

МИНСТРОЙ РОССИИ

ВСЕРОССИЙСКИЙ ордена Трудового Красного Знамени КОМПЛЕКСНЫЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

водоснабжения* канализаиии. гидротехнических

сооружении и инженерной гидрогеологии

ГАШЕНИЕ ВОЛН ТЕЧЕНИЯМИ В ПРАКТИЧЕСКИХ

ЗАДАЧАХ ВОЛНОВОЙ ГИДРАВЛИКИ С 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология )

АВТОРЕФЕРАТ

диссерта11ии на соискание ученой степени кандидата технических наук

С ВНИИ ВОДГЕО )

На правах рукописи УДК 532.1627.67

Арагакчева Дори.на Христова

Москва - 1992

Работа выполнена в Институте гидро- и аэродинамики (БИРС),

Варна.

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший.

научный сотрудник И.Г. КАНТАРШ

Официальное оппоненты: -доктор физикс-яхпехатическиг наук,

профессор Е.Н.Пелиновпкий -кандидат технических наук А.А.Слирнов

Ведущая организация : Росгипроводхоз

. 0» Защит состоится ". .Л?^?^^.........19Э2 года в

4И...часов на заседании специализированного совета К 033.05.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук во Всероссийская ордена Трудового Красного зкалеки кохллеиснол научно-исследователъскол и конструкторско-теэтологическол институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВНИИ ВОДГЕО) Минстроя России.

Адрес: 119326, Москва, Г-43, Колсололъский проспект, 42

С диссертацией ложно ознакомиться в библиотеке ВНИИ

ВОДГЕО.

Автореферат разослан . ......1992 года.

Учений секретарь специализированного ,

совета, кандидат технических наук: * (М.В.Витенберг)

- 3 -

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем и. Существует 1'большое разнообразие гидродинамических условий и практических ситуаций, в которых волны распространятся при наличии течений различного естественного и искусственного происхождения. Учат взсшодействия волн с течениями существенен у входов портов, в больших реках и каналах, проточных водохранилищах, приливно-отливных ларях, а также на участках устьевых взморий, в окрестности водовыпусков и водосборов.

Задала о взаимодействии волн с течениями мохет быть рассмотрена в двух практических аспектах:

- для оценки самого процесса взаимодействия и учета степени влияния течения на волнение;

- исследование взаимодействия волн с течениями с целью гашения волн или изменения их направления течениями.

Б первом аспекте учет влияния течений на волновые параметры необходим прежде всего дм корректного определения волнового воздействия на погруженные и полупогрухенные инженерные сооружения и их элемент и для более точной оценки изменения величины и направления транспорта наносов в береговой зоне.

Во втором аспекте интерес представляет взаимодействие волн с искусственными течениями, генерированными пневматическими им гидравлическими барьерами (волноломамичья эффективность га>мения поверхностных, волн доказана, но прашическое применение связано с эмпирическими зависимостями, и с необходимостью корректно моделировать такие течения для определенных эксплуатационных условий.

Эффект гашения является частью общего процесса взаимодействия волн с крупномасштабными (относительно волн) течениями, на который оказывает влияние фактор вертикальной неравномерности скорости течения. К такому классу течений относятся и течения, созданные пневматическим барьером, чье применение в последние годы приобретает новую популярность из-за очевидных преимуществ по сравнению с традиционными гравитационными, сооружениями. Существенно меньшие расходы на строительство и эксплуатацию пневматических волноломов, как и их действие только при необходимости, преврсшжт их в современные волногасящие сооружения, которое не вносят никаких изменений в экологический баланс окружающей среды и могут успешно применяться для защиты береговой зоны от

загрязняющих веществ.

Вышеизложенное определяет практическую значимость задачи взаимодействия волн с крупномасштабными, неравномерными по глубине течениями. Существующие на настоящем этапе инженерные методы расчета волногашения течениями имеют эмпирический характер и не учитывают как реальный профиль скорости течения по глубине, тэг, и спектральный характер волнения. Это обстоятельство вызывает необходимость в соответствующих разработках С практической направленностью. что определяет актуальность решаемых в работе задач.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящего исследования является разработка практически применимого метода расчета (трансформации волн неравномерными по глубине течениями и определение критической скорости блокировки регулярных волн встречным течением, и метода расчета частичного гашения нерегулярного волнения неравномерным по глубине течением.

0 работе решаются следующие основные задачи, которые направлены не только на достижение поставленной цели, но и относятся к другим сторонам применения взаимодействия волн с течениями:

- разработка и проверка расчетного метода определения трансформации регулярных волн неравномерными по алубине течениями (в том числе определение критической скорости блокировки волн веггоечним течением). на основе двух известных подходов решения задачи, и с учетом диссипации энергии от сил вязкости, турбулентности и обрушения волнового гребня;

- разработка и экспериментальная проверка метода расчета гашения нерегулярного волнения течением с неравномерной по глубине скоростью на основе определения критической частоты среза или Фильтрации спектра волн течениями, генерированными пневматическим барьером;

- осуществление экспериментального исследования обрушения волн на плавном береговом откосе при наличии встречного течения, генерированного пневматическим барьером, и. на основе полученных результатов, разработка нового критерия обрушения волн, применимого для определения критической глубины воды при пвких условиях;

- Формулирование рекомендаций и представление примеров практического применения разработанных .расчетных методов гашения волн течениями в задачах волновой гидравлики.

Научная новизна. Теоретически исследованы границы применимости дбух методов получения дисперсионного соотношения составного движения: метода кусочно-линейной аппроксимации профиля скорости течения по глубине и сшибки решений метду слоями, и метода приближенного дисперсионного соотношения, б случае двух характерных скоростных профилей. Показана достаточность первого приближения решения для практически значимого диапазона относитэльных глубин. Показана совместимость принципа сохранения волнового дейстбия для определения изменения высоты волн нз течениях, с приближенным дисперсионным соотношением. На основе результатов экспериментов с регулярными болнами на течениях. генериробанных пневматическим барьером, получена поправка к высоте боли от диссипации энергии б результате сил вязкости, турбулентности и обрушения болнобого гребня. Разработан и экспериментально проверен метод расчета частичного гашения волнового спектра неравномерными по глубине течениями, применяя для этой энергетической оценки только кинемаггические уравнения взаимодействия. На основе результатов экспериментов разработан и проверен критерий обрушения регулярных волн на плавном откосе при наличии встречного течения.

Практическая ценность работы. Применение разработанных расчепхых методов позволяет определять трансформацию параметров волн на неравномерных по глубине течениях, критическую скорость блокировки регулярных волн встречным течением с учетом профиля скорости и глубины воды, а в случае нерегулярного волнения - частоты среза волнового спектра течением и степень гашения по ¿редней высоте волн. С помощью разработанного критерия обрушения можно определять крипическую глубину для регулярных волн на откосе при наличии встречного течения, генерированного пнеймобарьером.

Реализация результатов работы. Разработанные вычислительные методы внедрены в деятельное™ Гидротехнической лаборатории Института гидро- и аэродинамики. Варна. Они применяются при Выполнении исследовательских работ, связанных с распространением волн на течениях.

Дппробация работы. Основные результаты работы докладывались на 17-ой и 18-ой сессиях научно-методологического семинара по гидро- и аэродинамике (Варна, 1988г., 1989г.). на международном симпозиуме НАС)МА[}'91 (Варна. 1991г.), а также на секциях НТС и семинарах БИРС.

- б -

По теме диссертации опубликованы тои работы.

Обьен работы. Диссертация состоит из введения, пягш глав. основных выводов по работе, списка литературы; общий обьем диссертаиии 197 страниц, б том числе 133 страницы тексте. 59 Фигур. 11 таблиц и 2 фотографии.

Номерация рисунков и Формул б автореферате соответствует их номерации б диссертации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются наиболее часто встречающиеся практические случаи и ситуации, при которых необходимо учитывать взаимодействие болн с крупномасштабными течениями.

Неравномерность скорости течения по глубине является ^ичжным Фактором. влияющим на процесс гашения волн при взаимодействии с встречным течением. поэтому исслеЗобание трансформации регулярных волн ( высотой Н. Волновым числом к = 2Л/1-. угловой частотой и - 2Я/Т и Фазовой скороотъю с = и/к ) неравномерными по глубине течениями имеет важное Оля практики значение. Особое внимание заслуживает случай нерегулярного волнения. Эля которого нет расчетного метода оценки степени гаиения неравномерным по глубине течением со скоростью на свободной поверхности .

В первой главе представлен обэоп публикаций, рассматривающих различные аспекта исследования задачи взаимодействия волн с течениями б зависимости от определяющих Факторов ( профиля скорости течения по глубине Шг) и б плане 1Ку). спектральной плоггностти волнения вЫ). угла подхода волн к течению а. диссипации энергии при взаимодействии Л ). Представлены классические работы Ф.Бретертона и К.Гаррета, Г.Уизема, Дж.КристоФерсена и И.Джонсона, р.чес.шие вклад б разработку гидродинамического подхода решения задачи распространения волн б медленно движущейся среде на осново принципа сохранения плотности волн и волнового действия. Рассмотрен и энергетический подход решения, представленный в работах И.Лонге-Хиггинса и Р.Сггьюаргге, О.Филлипса. При анализе теоретических рабог особое внимание уделено исследованию особых точек реиения, ссопЧЬеоствующих отражению и блокировке болн течением (А.Басович и О.Таланов,- И.'Лавренев и В.Рывкин). Представлены современные численные решения рефракционной задачи (алгооипм И.£»онсона и Пж.КристоФшерсена. Ю.Прейэис.а и А.Шикина). Рагсмогссенм результата .экспериментальных работ И.ОайсФельда,

Н.Кереселидзе, Е.Масса, И.Кзнггаржи, Т.Мепревели. Ф.Гонзалеса, Лж.Бревика. К.ПоказееВа и А.Розенберза при исследовании каустических эффектов Взаимодействия, на основе которых Выведены критерии обрушения волн при наличии течения. Аналитический метод решения В случае вертикальной неравномерности течения представлен работами Ф.Бизеля. И.Джонсона, О.Бринк-Кьера и Г.Томаса. П.Перегрина ч Р.Смита, В.Гончарова и И.ЛеОкина. Приближенный метод решения, основанный на замене реального течения "эффективным", разработан Р.Стыоартом и Х.Джой, Р.Скоупом, а позже Дж.Кирби и Т.Ченом.

В случае нерегулярного Волнения три известных подхода к оценке Влияния течения на Волны (интегральный, дифференциальный и комбинированный) представлены работами Ч.Тунга и Н.Хуанга. Т.Хеджеса. М.Тайфуне. Р.Далримпла и К.Янга. И.ЛзВренеВа. А.БасоВича, Е.Масса. И.Кантаржи, Е.ПелиноВского, Ю.Прейзиса и Ш.Гагнидзе.

В результате анализа известных работ определены направления дальнейших исследований и основные задачи диссертационной работы:

исследование границы применимости дВух известных подходов к решению задачи о Взаимодействии регулярных волн с неравномерными по глубине крупномасштабными течениями, и. на этой осноВе, разработка расчетного метода гашения Волн такими течениями с учетом профиля скорости Шг). глубины Поды Ь и диссипации энергии Д ;

разработка расчетного метода гашения нерезулярного Волнения течением с неравномерным по глубине просрилем скорости;

- экспериментальная проверка достоверности разработанных расчелных методов на основе моделирования взаимодействия волн с неравномерными течениями, генерированными пневматическим барьером В волновом логтке;

экспериментальное исследование влияния встречного течения на обрушение волнового гребня.

Вторая глава работы посвящена исследованию двух методов получения дисперсионного соотношения и = Нк) поверхностных гравитационных волн на медленно изменяющемся по х течении с линейным градиентом Я скорости по глубине. и(г)=и»+П.г. Первый метод основан на аналитическом решении уравнения Рэлея для конкретного скоростного профиля с удовлетворением граничных условии на дне и на свободной поверхности. На основе полученного дисперсионного соопиошения. с помощью закона сохранения плотности Волн (или абсолютной угловой частот* и=Ыо) получается безразмерное уравнение трансформации длины волн

(волнового числа) относительно соответствующих параметров Ь неподвижной среде (с индексом "о"):

к _ ^ коЬ __+ 2(1—~ — ) П *

ко Ш(к/ко.коИ) к„ Со ' ко Со 2коСо

* гЬ(к/к...к,Л)]. (2.1?)

Закон сохранения волнового действия с тем жэ дисперсионным соотношением приводит к уравнению для определения изменения высоты волн на течении с линейным скосом скорости по глубине:

, Н = (А-В).0.5С1 3С1 - Й'к/к")"1 (А-ВП-*

Но эЬ 2коИ 2коСо

г Q коИ г. , . ■ * {---.--+ й }"' . 2.21)

Со 2коСо сИ:'(к/ко.к„Ь)

где А = Ск/ксЛМк/ко.коЫ+В2]1'-7 В = Й/2коСоЛЬ(к/ко.коИ) С0.25 БИ(2к/к„.коЬ)+0.5к/к».коИ+Й/(2коСо). коИ. В

О =

А.сЬг(к/к„.к„Ь) Критическая скорость течения. при которой имеет место блокировка -волн данной частоты, определяется из условия Си=0 в абсолютной координатной системе: и«„г. Й к»Г|

Со 2коСо' сМ2(к/к„)коЬ

- 0.25С5Ь 2(к/к,.)коЬ + 2(к/ко)коЬ +

+ (—■-—)гкоЬ №(к/ко)коИ ^ киИ] .сИ" 2(к/ко)коЬ/ <2.24)

2коСо

/С(к/ко)Ш(к/к„)коМЬ коИ + <—-—(к/ко!кой

2к„Со

где критическое значение волнового числа к/ко удовлетворяет уравнению (2.12).

Второй подход заключается в замене реального течения "эффективным" и выводе (с помощью Формулы Р.Скоупа для скорости эффективного течения) приближенного дисперсионного соотношения. На основе последнего, применяя указанные законы сохранения, получены уравнения изменений волновых параметров на линейноградиентном по глубине течении в зависимости от безразмерных величин коЬ, 11„/с.. и Й/коСо :

к = ^ к..Ь к _ия + о (к/к„.коЫ), (2.31)

ко т(к/ко.коЫ ко Со 2коСо

II Ь уо К

(-£-)* = (4- Г-^ГКк/ко.коЫГ^а + 7 ' К ' *

Но ко эИ 2коИ

, к/ко.коГ, 2к/к..к,.И +

к/к„ 5Г1(2к/ко.коЬ)

+ 2 - ——__^--3- (2.35)

с.» к-,,с,, (1 + сГ»(2к/к„.к.Л))

Покачано . что известный метод

адиабатического инварианта Зля определения Н/Но работает и В случае приближенного дисперсионного соотношения.

Уравнение для скорости блокировки Волн Встречным течением получается из условия Си=0 :

Co k„c.. (1+ch 2kh) u' ко' thk„h sh2kh

Осушестблено численное исследование уравнений и границ существования решений с Физическим смыслом. На рис. 2.6 представлены решения изменения Высоты и болнобого числа регулярных Волн на попутном (нижние кри&ые) и Встречном (Верхние крибые) течениях с линейным скосом скорости по глубине |Q/koCr.|=0.1. Приближенные речения для k/ko и Н/Н, быше полученных на основе точного дисперсионного соотношения. Разница между ними на бстречном течении растгт с увеличением глубины воды (на глубокой боЗе Зо 4% в решении для k/ko при Q/kuCo=-0,3 ). с ростом линейного скоса течения П/коСо(до 3,5%). и с увеличением скорости течения U»/Cc, до ее критического значения. На встречном течении относительная ошибка для решения Н/Но выше соответствующей Зля k/ku только на ограниченной глубине, а на глубокой воде становится меньше - до 3%. Отклонения между решениями в случае попутного течения в целом ниже чем на встречном. Все решения (точные и приближенные) имеют одинаковый характер изменения в зависимости от исходных параметров задачи. Характерно более сильное влияние верпикального градиента скороспи течения на глубокой воЗе. где изменение k/ko больше на 50%, чем при ограниченной глубине (kc.h-1,25), а изменение Н/Но - на 55% при скорости, близкой к скороспи блокировки.

Значения критической скорости для блокировки волн встречным течением с линейным скосом скорости по двум подходам представлены на рис. 2.7 Эля предельных случаеб глубокой и мелкой воды. Приближенные решения ниже точных, а разница между ними растет с ростом градиента скорости течения и с уменьшением глубины воды. Критическая скоросггь течения на глубокой боде примерно б 4 раза ниже скорости на мелководье, поэтому относительная ошибка приближенного решения на глубокой воде (при Q/koCo=-0,6) б Эва раза больше («8%), чем на мелководье (*4%). С точки зрения применимости приближенных решений с меньшей ошибкой, течение с линейным по глубине скосом скороспи более подходящее для условий ограниченной глубины воды.

Особое внимание уделено приближенным решениям более высокого порядка 0(£2). Чаленное исследование показывает, что увеличение порядка решений для k/ko и Н/Но не приводит к

Рис 2.6.Течение с линейным скосом скорости по глубине I а/кос.. |=о. 1

1 точное ---1--

При Ьн.

точ юе

—— - 1

Л/косо

Рис. 2. 7. Течемие с линейным скосом скорости по глубине (точные и приближенные решения скорости блокиро&ки & предельных случаях глубины ЙоЗы)

.2

3

.4

О

.

практически существенному снижению разницы с точными решениями.

Аналогичным образом исследовано поверхностное течение с линейным по глубине скосом скорости (или с треугольным <Зо глубины с} профилем скорости). Этот профиль характерен Эля генерированных пневматическим барьером течений (рис.2.8). Анализ результатов извес1гных экспериментов с пневмобарьером показывают его эффективность гашения волн при ' относительных глубинах ЬЛ_>0,4, при которых течения, генерированные пневмобарьером. крупномасштабны относительно волн и могут обеспечить более 50% ганяния волновой энергии при «40% от максимальных энергетических затрат, необхоЭиных для полной блокировки волн. При этом опиосительная толщина течения не более коС1=0,Б.

Пля получения точного дисперсионного соотношения в случае

генерированного пневмобарьером, использованз модель течения из двух слоев и предложенные П.Перегрином комплексы, которые пропорциональны давлению и вертикальному смещения частиц и с помощью которых осуществлено сшиваниа аналитического решения на границах между слоями. Из условия сохранения плотности волн получено безразмерное уравнение для изменения длины волны (волнового числа):

ограниченного треугольного прсэиля

скорости течения

к IV,г . к _ —,---)2 СсЬ——кг,п~

ко Со ко

к_ 1 ко №к„Ь

•3. СзИ-^-коИ -

ко

и» 1 к

_1_

Со к<-,а

(коП-кос!) эЬ-^-койЗ = О

(2.71)

к

к,

И

и (г)

Рис. 2.8. Схема течений, генерированных пневмапгическим барьером

Уравнение для скорости блокировки болн бсгоечным течением, генерированным пневмобарьером, получено из дисперсионного соотношения и условия Со^О:

-2— {2сЬ-р-к.>Ь—— -1- [г,Ь-^оГи5Ь-^-(коЬ-2коС1)3} +

Со ко Со к.. е.. кос! ки ко

+ <1~--—)*(2коГ> БМ-^-коЬ-— СкоГ) сП-^Н<оИ+(коМ-2косП»

к„ Со ко Сг, к..й к„

* с1")-£—(коЬ-2коС1) 3} - С С —+ —1—— *

ко Со кой гЬкоЬ ко Со кос)

к к к 11 11. 1 к 1

* ГсИ—Ч<оИ-сИ—(коЬ-2коЙ)]} + [(1- Р--—)-— -¡_ - ---1-О»

ко ко к,. Со Со кос) ко 1:Г1ко11

* (2коЬ сЬ-£-коГ|-— -2- СкоИ БГ1-^-коП-(коГ1-2коСП*

ко Со кос) ко

« з(">-р—(ко1")-2коСП]> = 0 , (2.72)

к„

где к/ко удовлетворяет уравнению (2.71).

Аналогичные уравнения получены и по приближенному подходу, с помощью Формулы Р.Скоупа для скорости эффективного течения :

, к ^ к/ко.коИ к и, ^ 2к/ко кой к , ..

(_—-—_—-----(—^--- +1-СИ 2;— ко(Я +

к,, № коИ ко Со 2к/ко ко,, ко

ил^) гк/кск,^)-' ,„ к , . _ (< , . к , „ к , + ----—- .12—-к^й.Ы 2——коИ.сИ2——кс,с1-2——кой *

2со. коО ко ко ко ко

« БЬг-^-кой+сЬ 2-7—кой-Ш 2-i.-koh.sh 2-£-*<-.с1-13-1 = О С.62)

ко ко к.. ко

5Ь2-^оИ+2-£-коЬ(1:Г>коЬ)'-"г бЬ2-^Ч<:оС1

Ко ко £ Ко ^

к,, ко ко ко

+ 1 -сП2-£-к..с1 + -:-. (1- сИ2-~—кос))3 = 0 . (2.63)

ко кос1 к , ^ к..

бИ2-—коЬ

ко

где к/ко есть решение уравнения (2.62) при 1)Я/Со=ио„о/Со.

Результаты сравнения точного и приближенного решений относительно длины волн 1_/1_о представлены на рис.2.15 б зависимости от скорости печения и его толщины при глубине к,,Ь=3.0. Значения точного решения выше приближенного, что соответствует полученному результату для течения с линейным по глубине градиентом скорости. Относительное отклонение между решениями на попутном течении (верхняя часть кривых) уменьшается с увеличением глубины воды коИ и толщины течения коС), и на глубокой воде при кос1=0,6 оно не превышает 5%. В случае встречного течения зависимость относительной ошибки между решениями для 1_/и> несколько более сложная, но вблизи критической

|(Л| со

Рис.2.15. Поверхностное течение с-линеоным скосом скорости по г • (точное и приближенное решения)

скорости. где она достигает максимальных значений, не превышает 7% на глубокой воде при толщине течения kod =0.6. Как и в случае первого течения, течение, генерированное пневмобарье-ром. увеличивает свое влияние на длину волн с ростом глубины воды и толщины kod. Точное и приближенное решения для скорости блокировки волн вспречным печением пневмобарьера имеют одинаковый характер зависимости от параметров kod и koh (рис.2.22). Относительная разница между решениями для !U«/Co)^o уменьшается с увеличением koh и на глубокой воде, при толщине течения kod > 0,5, не превышает 4;5%.

Уравнение изменения высоты волн на течениях.

¿■u/i^O.G

koh^S.O

\\ . \ Т очное

1 \ приО S п. ~~

V точно е

при Б/1.

X

1 О .Ь 1 1.S о

"к od

Рис.2.22. Сравнение точного с приближенным решением Ш»/Со)»» = f(kod.koh) для течения пневмоволнолома

генерированных пневматическим барьером, мояет быть получено по приближенному подходу. используя для эпой цели применимость адиабатического инварианта волнового действия, выведенного Зля течения с линейным по глубине градиентом скорости:

H

0 • S С1 ^ i—i'-'- l th-^-k^h )1 ■"г

sh2koh ki. ko

(2.64)

Не, (1:Ько|-|)1 Си

Величина абсолютной групповой скорости Си определяется левой частые уравнения (2.63). Характер зависимости изменения высоты волн течениями, генерированными пневмобарьером. аналогичен характеру изменения волнового числа (рис.2.23).

В случае нерегулярного волнения, Оля оценки ■ Фильтрации (частичного гашения) волнения принят интегральный подход к линейной модели спектра из независимых частотных составляющих. Идея А.Басовича и В.Таланова об изменении спектра в результате блокировки течением некоторых его компонентов, реализованная И.Кантаржи. Е.Пелинойским. Ю.Лрейзисом и Ш.ГагниЭзе для линеоносдвигового в плане течения, здесь применена в случае неравномерного по глубине течения, генерированного пневмо-барьером. Степень частичного гашения волнового спектра определяется на коэффициента его пневмобарьером. по

1 КвП^О.б /

1 k«n=l,SS k<,h=3,0 7 / /

J ///

Г

S keh=û. 6 ►=n=î.o

Рис.2.23. Изменение Н/Но для течений пневмобарьера с толщиной kod =0,5 а) течения пневмобарьера с kod - 3,0 при koh = 3,0; б) течения с линейным скосом скорости Q/koCo=0,D8; koh=3.0

прохождения через течения, средней высоте волн:

(Ht/Ho)2 = S(ai)dM

основе генерированные

| 5ШШ (2.73)

о о

Это позволяет энергетически оценивать трансформацию волнового спектра только с помощью кинематических уравнений для определения критической частота, выше которой все компоненты блокируются неравномерным по глубине течением определенной

скорости. Спектральная плотность исходного Волнения В{0)) б (2.73) заЗанэ ппоиэбольмоО аппроксимацией 5 ЬиЗе аналитической зависимости или пибличных значений. Численный метод опреЭеления Фильтрации частотного спекгсва вертикально неравномерным течением и соотбетстбуюаиа алгоритм программы разработаны с возможностью применения точного или приближенного подхода б зависимости от граничных услобио задачи.

В трепъео в.оабе рассноггрены экспериментальные исследования йэаимойеостбия боля с неравномерными течениями, генерированными пнеймагшчесиим барьером 6 Волнобси лотке БИГС с целью проверки разработанных мртодоб расчета. ПреЗсггейлено описание отработанное) методики корректного моделирования болн й лотке, экспериментальное оборудование. систсмо Оля сбора и обработки данных (рис.5.3), как и особенности постановки экспериментов с течениями, зенерипобанными пнебмобарьером.

1,7.3 - ботеиия

4 - исмеоиггель скоооспи пэчения

гаренчнАЯ ОБРАБОТКА РУЧНАЯ КОмТРОА^

£ЖСНиАГЕА^ИАЯ ОБРАБОТКА Р1ЭУЛЬТАТ06 РСР ИД5 . ЗА РС АТ/гвь

Рис.3.3. Блок-схема экспериментального оборудования и системы сбооа, регистрации и обработки данных

Специальное внимание убелено методике генерирования нерегулярного волнения б /юггке и критериям оценки точности боспроиз&еЗения определенного волнового спек.ггоа. Пробелена серия зкспсримччпсгв с кг;икпггп(м-1 бидон болмоЭого с.пег.тпа для гюовег-ки

интегральной передаточной Функции, полученной на основе экспериментов с регулярным Волнением Во Всем диапазоне волновых параметров и глубин В логгке. Эксперименты с нерегулярным волнение осуществлены по отработанной в БИГС технологии, обеспечивающей максимально возможное недопущение ошибок из-за модельных и краевых эффектов.

Взаимодействие нерегулярного волнения с течениями, генерированными пневмобарьеоом. приводит к существенной трансформации исходного спектра (рис.3.6), заключающейся в Фильтрации высоких частот, в снижении амплитудного

значения основного максимума («2£Ш и в появлении вторичных высокочастотных, но менее интенсивных максимумов.

a) U- = О б) = 0,48 м/с

Для исследования влияния встречного течения на обрушение волнового гребня и на критические условия трансформации волн на течениях проведена серия экспериментов с течением, генерированным пневмобарьером, на плавном откосе с уклоном s=1:9 (рис.3.11).

Рис.3.11. Схема постановки экспериментов -с пневмобарьером на откосе

Исходная крутизна волн изменялась б диапазоне (1:13*1:11). Результат показывают, что течение Влияет б большей степени на увеличение критической глубины (до 2 раз), чем на рост высоты обрушения (только 15%). Крутизна воля на откосе снижается в среднем на 6% относительно крутизны на горизонтальном дне. а наличие встречного течения приводит к дополнительному уменьшению ее еще на «15%. Обрушение волнового гребня при наличии встречного течения происходит в виде ныряющего буруна.

8 четвертой главе сопоставлены вычислительные результаты и результаты экспериментов, осуществленных в волновом лотке с течениями, генерированными пневмобарьером. Анализ и сравнение проведены в трех группах: взаимодействие регулярных волн с неравномерными течениями, их взаимодействие с волновым спектром, и влияние встречного течения на условия обрушэни,> волн, распространяющихся по откосу с плавным уклоном.

Эксперименты с регулярным волнением показывают, что для относительно коротких волн (коИ ) 2) течения, генерированные пневмобарьером, крупномасштабны и при сравнительно невысоких значениях скорости достигнуто почти полное гашение волн. В этом случае экспериментальное прохождение волновой энергии, определенное коэффициентом (Нт/Н._,)г. не превышает 5%. Расчетные критические значения скорости -блокировки волн по точному и приближенному подходу представлены на'рис.4.2. соответственно сплошными и пунктирными вертикальными прямыми. Аналогично схеме И.Боевика, в работе анализирована с физической точки зрения (трансформация волн. неостановленных встречным течением. От сечения с максимальной скоростью и«.™,- встречного течения до выхода на попутное течение волны уменьшают свою высоту в результате воздействия диссипации энергии от обручения гребня (если скорость течения достаточна для этого), от повышения турбулентности, и действия сил вязкости. Экспериментальные результаты показывают, что до скорости течения (О. 2+0.4)11я«о (в зависимости от относительной длины волн), увеличение высоты на встречном течении компенсируется энергетической диссипацией при переходе через Факел барьера и волны выходят на попутное течение с высотой «Но. Палее он . трансформируют свою высоту на попуггном течении до Нг/Но, и экспериментальные значения хорошо соответствуют расчетным кривым на этом течении. Когда скорость течения превышает указанный граничный диапазон, диссипация растет из-за частичного или полного обрушения гребней и высота волн падает ниже исходного значения Но. Экспериментальные точки располагаются ниже расчетных кривых трансформации на попутном течении. Отклонения растут с приближением к скорости блокировки.

I

¿о= 1 .ОЗ-т. коП-3.<75

Ог./с о

/,о = 1. 4-пх коН=2.г44

■4

ия/са

1о=1,77т

775

I т—I •-- ^¡г-- О 1 1

л : до 1 д о 1 1 1

э «и о | о 1 1

о : 0 п ( 1 1 1

г 1 1 ■

-4

с ¡1

" е | л. 5 \

\

Г 11 !

иг/со 1,о-~2.5 1 тп.

ие/со

Рис. 4.2. Зависимость (2.64) Эля Нт/Но на попуггном течении пнеВмоболнолома. эксперименты БИГС-"ом и расчетные значения автора с учетом ЭиссипаСши энергии- "Д"

I

со

- 1 1 __. 1

1 1 ■

1 1 |

1 1 1

1 1 г 1

На осноЬе анализа результатов экспериментов с регулярным волнением пред^ жена змпипическая зависимость диссипагтвной поправки к высоте воли :

д JL = . (4.D

Htj Lo Со

где f, = а ~ + Ь . f? = А (— )Dexp[C( —) ] .

Lo Со Со

A.B.С = äi (koh)75 + bi(koh)2 + c<(koh) + d.

Значения коэффициентов получены статистической обработкой экспериментальных результатов методом регрессионного анализа и расчетом трансформации высоты волн на течениях, генерированных пневмобарьером. На рис.4.2 представлены расчетные кривые на попутном течении, экспериментальные значения коэффициента прохождения волн Нг/Н, за барьером, и расчетные значения этого коэффициента с диссипативной поправкой.

Сопоставлены результаты расчета фильтрации волнового спектра на основе вычисления критической частоты среза некоторых волновых компонентов неравномерным по глубине течением, и экспериментальные результаты взаимодействия нерегулярного волнения с течениями, генерированными пневмобарьером. Сравнение осуществлено по коэффициенту прохождения волнения, который получен расчетным методом Фильтрации на основе точного дисперсионного соотношения, а -экспериментально - с помощью спектрального анализа временных рядов регистрированного волнения. Относительная разница между расчетными и экспериментальными значениями для kr не превышает 4%, что позволяет положительно оценить применимость разработанного расчетного метода фильтрации спектра для инженерных расчетов. Разницу можно объяснить в основном диссипацией неостановленных течением спектральных компонентов, которая в расчетной модели не учитывается.

На основе экспериментального исследования трансформации волн на откосе при наличии встречного течения, генерированного пневмобарьером, разработан новый критерий обрушения при этих условиях, который формулирован с помощью абсолютной групповой скорости составного движения в виде :

H,,c:/L = а[(Си.,-и.)/Г0ТТи]г+Ь[(Са„-иИ)/'Г0Пг.:+с . (4.5)

где C«r-,/ioTif. = ai (IWLl^i. expCci (ht,/L) ] hb/L = a-.-(H,../L)2+b2(Ho/L)+c2 Hc/L = H„/L.(1+s").

индекс "b" относится к параметрам обрушения на откосе или на горизонтальном дне. а "Ьс"- при наличии течения.

Значения коэффициентов 0 ззвисимосгги (4.5) получены г.таписгпической обработкой экспериментальных результатов мптоЗпм

регрессионного анализа. а также с углом результатов экспериментов И.Кантаржи на опгкосе с равномерным уклоном 5=1:22.3 и 5=1:11.7. Показана применимость разработанного критерия для определения критической глубины воба.

В пятой главе рассмотрены возможности применения разработанных методов расчета для решения прикладных задач. В зависимости от практической ситуации задача о взаимодействии волн с неравномерными по глубине течениями сводится к следующим конечным результатам:

- расчет скорости блокировки регулярных волн определенной частоты;

определение трансформации параметров Н и I-неостановленных волн встречным и попупгным течением ;

- вычисление частичного гашения нерегулярного волнения по средней высоте волн на основе определения частоты среза исходного спекпра.

В качестве примера рассмотрена возможная защита бухты Китен с помощью пневматического волнолома. составленного из трех прямых учаспжов, которые расположены ортогонально основным направлениям Волнения для данного района (рис.5.1). Для каждого направления характерны два ггипа волн- относительно короткие, и волны, соответствующие промежуточной относительной глубине к<.1"1=(2*3). Расчет критической скорости течения, необходимой для блокировки волн каждого направления, показывает, что экономически целесообразно сстановливагтъ короткие волны и гасить в различной

степени пропущенных барьером Волн. Для такого результата достаточна скорость течения и«..,*,« = 1.5м/с. При этой скорости вычислены значения коэффициента прохождения по приближенному методу расчета изменения высот волн течениями, генерированными пневмобарьером. и эмпирической диссипативной поправки. Расчетные результаты показывают частичное гашение волн от 10% до 30% для различных волновых направлений. Палее полученные результаты можно использовать для проектиро-Рнс.5.1.Бухта Китен и Гориант Вания конструкции пневмаггического ее защиты пневматическим волнолома при целесообразном волноломом расходе воздуха и с учетом

возможности включения оЗчого или больше участков воздухопровода в зависимости от практической необходимости.

Б случае нерегулярного волнения показана возможность применения разработанного расчетного мепоЗа Фильтрации спектра течениями, генерированными пневматическим барьером, и в случае. когЭа спектр .. задам в виде аппооксимаиионноо зависимости, полученной Институтом океанологии Академии наук Зля условий черноморского побережья Болгарии. Для этой цели применен аналогичный алгоритм расчета, как и при задании спектра в виЗе массива численных значений спектральной плотности 5(И). Так как спектр получен на вхопе в береговую зону (koh=3). использован приближенный поЗхоЗ, который Зает результат, совпадающие с результатами точного подхода при этих граничных условиях. Численные результаты показывают, что при длине волн максимума спектра Loo = 30м на глубине h = 15м 'и скорости течения Uem,x = 1,2,3м/с. можно достичь частичное гашение энергии нерегулярного волнения пневмоволноломом, соответственно, 16%. 74% и 90%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлена необходимость ■ в дальнейшей разработке методов решения задачи ■ взаимодействия поверхностных гравитационных волн с крупномасштабными течениями для оценки влияния течения на волнение в береговой зоне и при проектировании инженерных средств Эля гаияния волн течениями при h/L > 0.4. Эффект снижения волновой энергии при взаимодействии основан на блокировке волн встречным течением, и на диссипации от сил вязкости, турбулентности и обрушения волнового гребня. Существенный вклад в конечном результате взаимодействия имеет вертикальная неравномерность течения, но соответствующие методы расчета требуют значительных• затрат времени и вычислительных ресурсов, при чем без учета нерегулярности волнения. Отсюда проистекает необхрдимость в разработке инженерных методов расчета гашения регулярного и нерегулярного волнения неравномерными по глубине течениями.

2. Выведены теоретические зависимости для определения параметров волн на неравномерных по глубине течениях: с линейным скосом скорости и с ограниченным по глубине треугольным профилем скорости; с применением кусочно-линейной аппроксимации профиля скорости течения и сшивки аналитического решения на границе между слоями, и приближенного метода "эффективного" течения.

Осуществлено численное исследование разницы мегьЗу решениями для высоты и длины волн по обоим методам, и для критической скорости течения при изменении глубины воды. Показано, что увеличение порядка приближенного решения не приводит к повышению точности для практически значимого диапазона изменения исходных параметров задачи.

3. Установлено. что известный принцип сохранения волнового действия для оценки высоты волн на течениях применим и в случае решения задачи на основе приближенного дисперсионного соотношения, получаемого путем замены реального течения "эффективным". Показано, что адиабатический инвариант для линейно сдвигового течения применим для определения трансформации высоты волн и в случае течений, генерированных пневматическим барьером.

4. Разработан метод расчета трансформации регулярного волнения течением с неравномерным по глубине профилем скорости, который позволяет определять критическую скорость встречного течения для блокировки волн, с использованием одного из двух методов получения дисперсионного соотношения в зависимости от граничных условий задачи. На основе результатов экспериментальных исследований взаимодействия течений, генерированых пневматическим барьером, с регулярными волнами в лотке выведена аппроксимационная зависимость диссипативной поправки к высоте волн в результате сил вязкости, турбулентности и обрушения гребня. Показано применение вычислительных программ .для пракггического случая расчета скорости блокировки и гашения неостановленных пневмобарьером волн с введением полученной поправки на диссипацию.

5. Разработан метод расчета Фильтрации волнового спектра течением с неравномерным по глубине профилем скорости на основе определения частоты среза исходного спектра в результате блокировки некоторых гармонических компонентов и вычисления коэффициента прохождения нерегулярного волнения по средней высота волн. Таким образом, дл? энергетической оценки трансформации спектра течением используются только кинематические уравнения взаимодействия. Показана возможность применения метода и в случае задания спектра в виде аппроксимирующей зависимости.

6. Расчетный метос фи/.отрации волнового спектра неравномерным по глубине течением проверен экспериментально на течениях, генерированных пневматическим барьером, с помощью отработанной методики моделирования нерегулярного волнения в волновом лопке БИГС. Частичное гашение спектра такой системой

. течений вызывается в основном блокировкой его высокочастотной части, приводящей к снижению частоты и амплитудного значения

максимума ггоансформиробаного спектра. На осмоЬе сравнения расчетных и экспериментальных результатов получено относительное завышение расчетных значений коэффициента прансФсрмаиии до 4%, которое является пс.-зультзтом нзучеггв (б расчетной модели) диссипации прошедших через барьер спечпоэльных компонентой. Сравнительные; - анализ показы бает, что разработанный метод расчета обеспечибает хорошее совпадение с экспериментом ' и может применяться 0 инженерных расчетах.

7. Экспериментально исследованы услобия обрушения регулярных Волн на плабном берегсбом откосе пои наличии бстэечного течения, генерированного пнебмобарьером. С помощью полученных результатов построен критерий обрушения волн при этих условиях на основе абсолютной групповой скорости составного движения. Показано применение нобого критерия для расчета критической глубины на откосе про наличии встречного течения. Задача взаимодействия болн с Лте^ением на откосе связана и с практическим сочетанием эффектов откосного сооружения и встречного течения для гашения волн в береговой зоне.

8. Разработанные методы расчета можно использовать не только 6 задачах разбития волн на естественных течениях, но и при исследовании и проектировании' гпнебмагтъ'ческих болноломоб или других сооружений, при- которых- применяется эффект влияния искусственно созданных течёний на (трансформацию поверхностных гравитационных болн.

Основные положения Сиссертации опубликованы1 в следующих работах:

1.Драганчева D.X., "<Й_1льарация волнового спектоа под влиянием встречьйго' течения с неоднородной по глубине скоростью". Труды XVII-ого НМСГС, Варна. 1988, ( соавторы Масс Е.И.. Кантарли И.Г.. Пенчеб B.C..). 1988. (на английском языке)

2.Праганчева Л.Х.. "Модель Взаимодействия волнового спектоа с течением, генерированным пневматическим барьером". Труды XVIII-oso НМСГС. Варна, (соавторы Кантаржи 11.Г.. ПенчеВ B.C., Лрейзи'с (0.). 1989, (на английском языке)

3. ДраганчеВа 0. X., "Приближенное дисперсионной соотношение при взаимодействии поверхностных волн с вертикально неравномерными течениями". Сб. материалов международного симпозиума HADMAR'91, Варна, т.2. (соавторы Кантаржи И.Г., Прейзис Ю.И.), 1991, (на английском яэеке)