автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Характеристики турбулентности при ускоренном (разгонном) течении жидкости в цилиндрической труде

; . Ленинградский ордена Ленина политехнический ~ институт им. М.И. Калинина

На правах рукописи

Р у у б е л Рейн Юлович

УДК 532.54.13.2

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИ УСКОРЕННОМ (РАЗГОННОМ) ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ

05.23.16. - гидравлика и инженерная геология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград 1989

Работа выполнена в Таллиннском ордена Трудового Красного

Знамени Техническом Университете.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Л.Л.Шаль.

Научный консультант - доктор технических лаук,

профессор У.Р.Лийв.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Е.И.Масс

- кандидат технических наук, доцент В.П.Боченинский.

Ведущая организация - НИИ Тепловых процессов, г. Москва.

заседании специализированного совета К 063.38.22 при Ленинградском ордена Ленина политехническом институте им.М.И.Калинина ьо адресу: 195251, г.Ленинград, Политехническая ул.,29, ауд. 208.

С диссортацией можно ознакомится в библиотеке института. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью цредприятия, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Защита состоится

Автореферат разослан

Учешй секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Б.А.Дергачеь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_те!_щ. В настоящее время во многих отраслях науки и техники большое внимание уделяется применении неста-уионарных режимов течения, связанных с подачей жидкости шш газа, с передачей энергии или информации через жвдкуп или газовую среду. Примерами применения нестационарного течения могут служить системы охлаждения в атомной энергетике, регулирование расхода высоконапорных гидростанций, подача топлива и управление гидравлическими и пневматическими системами, специальные агрегаты в нефтяной и химической промышюнностях, оросительные системы в сельском хозяйстве, кровообращение в медицине. Более детальное и глубокое экспериментальное изузе-ние физической картины разных процессов течения с последующим обобщением на уровне моделей и физических формул позволяет быстрее и корректнее проанализировать различные варианты использования режимов нестационарного течения жидкости, создавать экономически более выгодно работающие системы.

Решением секции тепломассообмена Научного Совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" от 19 мая 1989 года представляется практически важным развитие исследований по экспериментальному изучению структуры турбулентности (турбулентных напряжений и потоков тепла) и разработка полуэмциричзских моделей турбулентности при разгонных, замедленных и пульсирующих течениях, связанных со сменой режима.

В большинстве случаев нестационарные режимы течения связаны с появлением или изменением степени турбулентности. Хотя за последние десятилетия физические представления о турбулентных процессах заметно углубились, до сих иор не существует общей теории, которая описывала удовлетворительно хотя бы стационарные турбулентные течения.

Используемое в настоящее вромя в практических приложениях статистическое описание турбулентности основывается на предложены О.Рейнольдса о разделении поля скоростей на среднее и пульеационное движения. Главной трудностью при моделировании турбулентности является определение тензора корреляций

( I

пулъсационных величин появляющегося в уравнениях

после осреднения по Гейнольдсу составляющих вектора мгновенной скорости <Х . вследствие неопределенности которого система уравнений движения жидкости остается незамкнутой. Для замыкания системы уравнений пользуются т.н. моделями турбулентности, главьым образом основанными на гипотезе турбулентной вязкости. В практических расчетах методы замыкания системы уравнений движения являются эмпирическими или основаны на апроксимациях.

Начало экспериментального изучения касательных напряжений связано с появлением аппаратуры, позволяющей делать измерения в реальном времени и обрабатывать накапливающиеся большие массивы данных. Соединение возможностей бесконтактного изучения структуры течения с помощью лазерно-допплеровского измерителя скорости и вычислительной техники позволяет цраотупить к изучению структуры нестационарных процессов. Создание автоматизированных измерительных комплексов является первостепенной задачей при дальнейшем экспериментальном изучении гидродинамических явлений.

Одним из видов нестационарного течения является напорное разгонное движение жидкости или газа из состояния покоя со сменой режима течения. Настоящая работа является естественным продолжением работ по исследованию гидродинамики названного вида нестационарного течения в гидравлически гладких цилиндрических трубах, проводивщихся в лаборатории гидравлики Таллиннского политехнического института в течение ряда лет.

является экспериментальное изучение турбулентных характеристик и локальной структуры нестационарного разгонного течения для уточнения пределов применимости кзазистационарной модели турбулентности при замыкании слстемы уравнений движения.

отдельными задачами исследования для достижения поставленной цели являлись:

- создание и внедрение интерфейса для подключения к ЭВМ измерительных приборов, 8-канального усилгтельно-коммутиру-щего устройства с АЦП, таймера для синхронизации обмена информацией, блока управления быстродействующим клапаном;

- создание и внедрение математического обеспечения для управления экспериментом, накопления и обработки экспериментальны;: данных и графического вывода результатов вычислений или начальных данных на дисплей или на графопостроитель;

- создание и внедрение методики (в том числе и измерительной ячейки) измерения мгновенных локальных характеристик нестационарного точения с помощью дву¿компонентного лазерного допплеровского измерителя скорости;

- измерение изменений осредненной по сочетаю скорости, перепада, давления и касательного напряжения на стенке при стационарном турбулентном и нестационарном разгонном режимах течения;

- измерение изменений мгновенных значений трех составляющих вектора локальной скорости в шестнадцати точках по радиусу трубы при стационарном турбулентном и нестационарном разгонном режимах течения;

- наховдение с помощью осреднения по ансамблю средних мгновенных значений составляющих вектора локальной скорости, соответствующих турбулентных пульсаций, их корреляций (касательных напряжений) и турбулентной вязкости;

- вычисление по измеренным данным распределений турбулентной вязкости по гипотезе Буссинеска в некоторые характерные моменты изучаемого течения;

- сравнение измеренных радиальных распределений локальных параметров турбулентности нестационарного течения с квазистационарными ;

- сопоставление изменения измеренных интегральных параметров с измеренными локальным, параметрами нестационарного течения.

Мето5ы_исслодования. Мгновенные значения локальных кинематических характеристик течения определялись с помощью двух-компонентного лазэрно-допплеровского измерителя скорости (ДДИС) ЬОА-Ю фирмы К'ЬА (Дания), касательные напряжения измерялись с помощью двух термоанемоыетрических датчиков 558.41 той же фирмы, расход определялся разработанным в лаборатории ТШ расходомером "Момент" душ нестационарных течений, давление - с помощью датчиков "Сапфир".

Научная_новизна.

I) Разработаны и внедрены измерительный комплекс на основе отечественной мини-ЭВМ СМ-4 и методика одновременного

измерения в реальном времени до 8 параметров стационарного' и нестационарного течений жидкости в напорных трубах;

2) измерены все параметры, в том числе и мгновенные значения касательных напряжении, содержащиеся в уравнениях движения;

3) представлено сравнение измеренных распределений продольной составляющей вектора локальной скорости, касательных напряжений и турбулентной вязкости с вычисленными по квазистационарной модели;

4) выяснено, что появляющиеся во время турбулизации течения мгнове11яые значения касательных напряжений ¿¡¿'•■г'? и

¿и' - иг'? ПрИ изученном течении имеют одинаковый порядок и поэтому должны быть учтены при моделировании турбулентности;

5) выяснено, что вычисленные по квазистационарной модели значения турбулентной вязкости при смэне режима течения являются преувеличенными в ядре потока, но в пристеночной области в среднем соответствуют значениям, предложенным по гипотезе Буссинесла;

6) по изменениям кинематической структуры течения выдвинута гипотеза о существовании критических соотношений мевду действующими в течении силами, при которых появляется возможность возникновения и распространения по сечению течения локальных возмущений, т.е. полной турбулизации течения.

Практическая ценность.

1) На основе проведенной работы изготовлен и внедрен измерительный комплекс, позволяющий одновременное изучение мгновенных значений локальных и интегральных параметров стационарного и нестационарного течений жидкости а реальном времени;

2) одновременно измерены все содержащиеся в уравнениях

движения кинематические и динамические параметры нестационарного разгонного течения в интервале чисел Рейнольдса от 0 до 250000 (при начальном ускорении а, = 8,5 и/с^);

3) измеренные изменения касательных напряжений и турбулентной вязкости при разгонном нестационарном течении позволяют дать качественную оценку применяемым моделям турбулентности и уточнить существующие полуэшшрические методы расчета ускоренных потоков;

4) после проверки при других начальных условиях течения, гипотеза о критических соотношениях действующих при нестационарном течении сил, являющаяся условием изменения режима всего зг.хваченного течением пространства, может служить' физической основой для уточнения полуэмпирических методов расчета названных явлений.

Внесение. Результаты настоящих исследований реализованы в Институте высоких температур АН СССР и в Центре лазерных измерительных систем АН СССР.

Ащ?2бауия_Еаботы. Результаты настоящей работы по теме диссертации были доложены и одобрены на советско-датском симпозиумах фирмы disa (Дания) в 1984 году в Москве и 1989 году в Таллинне, на всесоюзном семинаре "Неустановившееся движение воды в каналах, реках и бассейнах морей и океанов" в МИСИ им. Куйбышева (Москва) в 1986 году, на всесоюзной конференции "Численные методы и автоматизация исследований в гидродинамике и гидравлике" (Сочи) в 1988 году, на республиканском совещании по механике в Мяндяла в 1985 году, на семинаре кафедры ядерно-энергетических сооружений Ленинградского политехнического института (Ленинград) в 1987 году и на семинаре кафедры гидравлики того же института в 1989 году, на семинарах рабо-

чей группы лаборатории гидравлики Таллиннского политехнического института (Таллинн) в 1983, 1984, 1985, 1986, 1987, 1988, 1989 годы.

Диссертация рассматривалась на заседании кафедры и лаборатории санитарной техники и была рекомендована к защите.

ПХбликадш_работы. Материалы диссертации опубликованы в шести печатных работах, раскрывающих содержание проведенной работы.

Объем_работы. Диссертант состоит из введения, четырех глав, заключения с выводами и тлеет объем 179 страниц, содержит 40 рисунков и список литературы из 159 наименований.

содержание работы

Во_вве£ещт обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, коротко описало содержание диссертации по главам.

освещаются основы статистического описания разных режимов гидродинамических процессов и проблем, возникающих при замыкании уравнений. Приведены основные типы моделей турбулентности: описываются модель пути смешения, ■' модели с уравнением турбулентной энергии (модели Колмогорова -Прандтля, Лауфера, Даундера, Невзглядова - Драйдена, Брэдшоу, Хандаалика - Лаундера, Джандаля), модели переноса турбулентных напряжений. Для замыкания уравнений движения нестационарного режима течения

Эй; Э<1г — 1 75 э , ЭаГ; -7—7,

тг +эзгг = & - г &+ к - (1)

приводится первая полная модель турбулентности - квазистацио-

нарная модель Васильева - Квона для нестационарного течения:

(2)

дЪ ~ ъ эч, л у -эх }

где зависимость для турбулентной вязкости предложена в виде гладкой функции:

ехо (- ^ ехр(гЪ (£„ (3)

где 6"« , , - постоянные.

Делается вывод о необходимости прямого измерения действующих в течении касательных напряжений, данные о которых позволили бы уточнить существующие модели турбулентности и углубить понимание физической сущности нестационарных гидродинамических процессов.

по доступным автору работам описывается положение в области экспериментального изучения нестационарного течения жидкости, сопровождающегося появлением турбулентности. Дается описание результатов работ О.Рейнольдса, Гельм-гольца, Розенхеда, Орра-Зоммерфельда, Толмина-Шлихтинга, Шу-бауэра, Клебанова, Эммонса, Ричардсона, Коважного, Руэлле , Тацуми, Соврана-Кломпа, Поззорша, Шарана. Брэдшоу, Спрендае-ра, Гертлера-Вкттинга, Вигнанского, Пейтеля, Никурадзе и Ан-тониа-Лухтона. Приводятся основные результаты дня наиболее изученного режима - пульсирующего нестационарного течения в трубе по работам Букреева-Шахина, Охми-Игучи, Кирмсе, Хартне-ра. Анализируется состояние изучения разгонного нестационарного течения по работам Ыаруяма-Мипушила и лаборатории гидравлики Таллиннского политехнического института.

Делается вывод, что особенно мало имеется экспериментальных данных по определению изменений касательных напряжений.

Существующие данные в основном относятся к экспериментам в пограничном слое стационарного течения при довольно малых числах Рейнольдса. Отсутствие данных для разных регимов нестационарного течения в цилиндрической трубе делает необходимым проведение экспериментов, определяющих изменения касательных на-, пряжений в большом интервале изменения,числа-Рейнольдса по всему сечению течения вместе с другими необходимыми параметрами.

Третья_глава посвящена описанию использованной гидравлической установки; созданного измерительного комплекса; методов и средств измерения интегральных и мгновенных значений осредненных и локальных характеристик турбулентности, в том числе и внедренного метода лазерно-допплеровского измерения мгновенных значений составляющих вектора локальной скорости; созданного математического обеспечения для накопления, обработки и графического вывода измеренных и обработанных данных; условий и методики проведения эксперимента.

В ходе настоящей работы одновременно измерялись изменения мгновенных значений продольной составляющей осредненного по сечению трубы вектора скорости, касательных напряжений в двух местах (в концах перпендикулярных радиусов) на стенке трубы, перепада давления по длине трубы и двух составляющих вектора локальной скорости стационарного и нестационарного разгонного течения.

Используемая на гидравлическом стенде рабочая труба из нержавеющей стали тлела диаметр 0,061 м. Измерительная секция для измерения мгновенных значений касательных напряжений и составляющих локальной скорости находилась на расстоянии 100 от входа в трубу, датчик расходомера был расположен в конце

рабочего участка трубы. Датчики давленая находились в начале и в конце (перед расходомером) рабочей трубы.

Начальное давление создавалось накачиванием воды в напорный бак, где начальный объем воздушной подушки держался постоянным. Нестационарное течение создавалось быстрым открытием клапана в конце рабочей трубы. Для всех опытов начальное давление равнялось 1,58»10® Н/м^. Для подцерхки изотермического режима (20^0,5)°С, во время эксперимента воду прокачивали на стенде по замкнутому контуру, содержащему холодильное устройство.

Рис. I Блок-схема измерительного комплекса.

На рисунке I изображена блок-схема созданного измерительного комплекса, где И - созданный интерфейс; БИ - буферный интерфейс; НМД и НЫЛ - накопители на магнитном диске и ленте соответственно.

Одноразовое измерение локальных параметров течения исследуемого, процесса во времени -реализация- состоит из 7000 измерений с интервалом в 0,0015 секунд, реализация т--яегральннх параметров -г из 1500 измерений с интервалом в

0,0066 секунд. Все измеренные и обработанные экспериментальные данные представляются в виде сглаженных во времени ансамблей, содержащих по 30 реализаций.

Для определения всех составляющих вектора локальной скорости по 16 точкам на радиусе трубы с двухкомпонентной ДЦИС проводилось сканирование измерительного объема по двум радиусам трубы - по вертикальному (измерялись продольная и радиальная составляющие) и по горизонтальному (продольная и тангенциальная составляющие).

Конфигурация лазерных измерительных пучков была подобрана для прямого измерения составляющих вектора локальной скорости. При этом положительное направление радиальной (V) и тангенциальной (и) составляющих было направлено вертикально вверх, а продольной составляющей (а) вдоль оси трубы по направлению течения.

По опыту внедрения ЛДИС модно сказать, что измерение мгновенных зна-

Рис. 2 Изменение.распределения продольных составляющих в некоторые характерные моменты течения по разным радиусам.

нений локальных скоростей при нестационарном режиме течения является довольно трудоемким из-за необходимости оптимизации точности измерения в каждой точке измерения по радиусу. В настоящем эксперименте удалось оптимиз:ировать условия измерения таким образом, что ногрешкость измерения во всех точках измерения определялась шагом квантования процессора вторичной обработки сигнала.

В четвертой главе приведены результаты исследования изучаемого нестационарного разгонного течения и их сравнение с данными квазистационарного течения. Дается описание изменения структуры течения в зависимости от изменения интегральных параметров при смене ламинарного режима течения на турбулентный и формулируются основные результаты работы.

На рисунках 2 и 3 представлены распределения по относи-

<*>сн) <*>Г* I

Рис. 3 Расцределения радиальныхи тангенциальных <и;> составляющих вектора локальной скорости в некоторые характерные моменты времени разгонного течения.

тельному радиусу значений составляющих вектора локальных скоростей в некоторые характерные^моменты времени до, во время и после искривления их начального распределения. При исследуемом нестационарном течении характерным дгся продольных составляющих вектора локальных скоростей при развитии течения является постепенное перераспределение их значений по радиусу, а для вектора локальных скоростей - перераспределение количества движения между составляющими в некоторые характерные моменты времени. Последнее явление является пространственным -коррелированное изменение значений наблюдается у всех составляющих локальных характеристик течения. Отчетливо наблюдается динамика развития разных зон течения.

Распределения измеренных продольных составляющих вектора локальной скорости до момента 0,8 секунд являются более заполненными, чем вычисленные по квазистационарной модели (рис. 4). При этом в ядре потока (30,5<у< 20,0 мм) эти значения совпадают, но в пристеночной области измеренные значения больше квазистационарных. Начиная с момента 0,8 секунд значения измеренных величин булут совпадать с вычисленными, но в ядро потока измеренные значения несколько опередят вычисленные до момента 2,0 секунд, начиная с которого течение можно считать квазистадионарным.

На рисунке 5 показано возникновение и распространение турбулентности по живому сечению течения в моменты безразмерного времени появления турбулентных пульсаций в разных точках по относительному радиусу трубы.' Безразмерное время выбрано для охарактеризования нестационарных процессов как независящая от ускорения величина. Использование характерного параметра, содержащего ускорение или вторую производную скорости

* 0,8 с

I • 0,75 с

1-0,7с

\

1*0,Зс

Л

в1.0 ' ' 0. 2' ' ' 0. 4' ' ' 0. 6' ' ' 0. 8' I Й- Т 5 X Р

йо' ' ' о.'г' 1 ' о.1»' ' ' о.'б1

(Й-П/й

Рно. 4 Сравнение измеренных распределений продольных составляющих вектора локальной скорости с вычисленными по квазиста-цкоиариой модели.

Рис. 5 Возникновеште и распространение турбулентности по живому сечению течения. ^^ измеренное по горизонтальному, по вертикальному радиусу.

по времени не дает удовлетворительных результатов, т.к. при

0 после окончания ускорения локальные характеристики

ос

потока далеко не соответствуют характеристикам турбулентного стационарного течения. На успокоение потока от влияния нестационарности течения требуется еще дополнительное время, которое не учитывается содержащими ускорение параметрами. Безразмерное время представляется в виде

# , (4)

где К - радиус труби; i - реальное вреш; V - кинематическая вязкость.

Возникновение и распространение турбулентности по сече-

нию течения можно разделить на два основные этапа: появление турбулентной структуры в цристеночной зоне и последующая тур-булизация всего сечения течения. Некоторое отличие поведения процесса турбулизации по перпендиаулярным радиусам можно отнести к некоторой неконтролируе^ости гидравлических условий экспериментальной установки.

Рис. 6 Изменение распределений обезразмеренных турбулентных напряжений <"-'•«>> в некоторые характерные для разгонного течения безразмерные моменты времени.

Распределения по относительному радиусу обезразмеренных с помощью квадрата динамической скорости измеренных касательных напряжений г. рааные моменты безразмерного времени показаны на рисунках 6 и 7. Изменение динамической скорости во времени вычислено по осредненным по ансамблю касательным напряжениям на стенке, измеренным с помощью термоанемометров. Сравнивая моменты появления и изменения касательных напряжений с моментами резкого изменения направления вектора локальных скоростей и величин соответствующих турбулентных

Рис. 7 Сравнение распределений обезразмеренпых турбулентных напряжений в некоторые характерные для разгонного течения безразмерные моменты времени.

пульсаций во времени и в пространстве, можно сделать вывод, что касательные напряжения появляются в результате перераспределения локальных скоростей. До появления в течении турбулентных образований значения касательных напряжений являются намного меньше, а при появлении турбулентных структур -срагниваемыми со значениями, вычисленными по квазистационарной (юдоли (рис. 8). Наибольшие отличия после появления турбулентности по всему сечению потока намечаются в пристеночной области до у = 3,0 мм.

На рисунке 9 приведено сравнение распределений по радиусу трубы вычисленных по модели Буссинеска и по модели квазистационарности значений турбулентной вязкости. Можно сказать, что вычисленные по квазиотационарной модели значения турбулентной вязкости являются увеличенными в ядре штока, но

»««л [-«ту

'го' " 0.2' ' ' 0.4' ■ ■ 0.6' ' ' 0.8

(СтТ!/!*

о.'г' ' 1 0.'4' ' ' о.б' [«.-Т)/«

оТв

о №

°'2' ' ' 0"Л г!&6' ' ' о;е ' ' ""'С ' ' Ь.'г' ' 1 Ь.'»' ' ' Ь.'е' ... . Рис. 8 Сравнение измеренных распределений касательных напряжений (О) с распределениями, вычисленными по квазистационарной модели (-4 ) в некоторые характерные для течения моменты времени.

0.4 [1. (3

I £-Т!/Я

'О.'4' ' ' 0.8

(К- Г!/?

йю. 9 Сравнение распределений турбулентной вязкости, вы-числешшх по модели Буссинеска (О) и по квачистащгонарной модели (4 ) в некоторые характерные для течения моменты времени.

Рис. 10 Изменение действующих в течении сил.

доеольно хорошо совпадают со значениями по модели Буссинеска в зоне до 1,0 мм от стенки.

Еа рисунке 10 в единицах ускорения показаны изменения во времени дейстЕунцих в течении сил (сила инерции, а - сила трения на стенке, ф - внешняя сила давления), вычисленные на основе одномерного уравнения движения по измеренным интегральным параметрам нестационарного течения. Сравнивая изменения в тих сил с соответствующими изменениями локальных характеристик течения можно сделать вывод, что перераспределение величин и зон действия сил в течении является условием для выявления и распространения по сечению течения простран-ственныхвозмущений, приводящим при подходящих условиях к смене режима течения. Около моментов равенства действующих в

т

течении сил наблюдаются наибольшие изменения в величинах измеренных локальных параметров, связанные с началом изменения направления вектора локальной скорости и с перераспределением по радиусу мгновенных значений их составляющих. Последние явления сопровождаются появлением турбулентности или изменением уровня турбулентных характеристик - пульсаций составляющих вектора локальной скорости и касательных напряжений.

Распределения составляющих локальных скоростей и турбулентных характеристик при нестационарном режиме течения отличаются от соответствующих при стационарном режиме из-за разного поведения действующих в течении сил: при стационарном режиме их отношения останутся постоянными, а при нестационарном они меняются во времени.

Суда по результатам вычислений, ни на одном этапе развития течения не выполняется баланс сил, соответствующий одномерной модели, указывая на непригодность подобного подхода

к исследуемому нестационарному режиму течения и на необходимость учета влияния локальных пространственных явлений при описании нестационарного течения.

Рядом с приведенными основными результатами исследования в диссертации рассмотрен еще ряд вопросов, связанных с проблемами, возникашцамася при экспериментальном изучении нестационарного точения.

Для проверки гидравлических свойств рабочей трубы и для уточнения методики их измерения в работе измерены локальные характеристики стационарного течения при значении числа Рей-нольдоа Ке. = 280000.

Дяя начальных моментов разгонного процесса по измеренным данным указывается на ступенчатое изменение продольной составляющей по сечению скорости из-за распространения волны давления вдоль рабочей трубы.

Показано, что при появлении турбулентной структуры во время смены реллма зсеспмметрпчность течения может временно нарушаться. На рисунках сравниваются между собой зависимости от времени измеренных в семи точках периметра труби касательных напряжений на стенке; зависимость от времени их среднего арифметического сравнивается с теоретической зависимостью, вычисленной по квазпстациокарной модели; зависимость измеренной осредненной скорости сравнивается с зависимостями, полученными интегрированием по перпендикулярным радиусам измеренных продольных составляющих вектора локальной скорости.

Определен и представлен графически аналитический вид зависимости от времени измеренных осредненных по периметру трубы касательных напряжений на стзнке и расхода в виде степенных полиномов.

основные вывода

В ходе выполнения настоящей работы в соответствии с поставленными целями похучены следующие основные результаты:

1) на базе отечественной мини-ЭВМ СМ-4 создан и внедрен новый автоматизированный измерительный комплекс для одновременного измерения в реальном времени до восьми параметров нестационарного или стационарного процессов течения и математическое обеспечение для управления экспериментом, накопления иобработки экспериментальных данных и графического вывода полученных данных и результатов вычислений на дисплей или графопостроитель;

2) выработана и внедрена методика измерения мгновенных характеристик нестационарного течения с помощью ДДИС;

3) цри разгонном нестационарном течении в круглой, гидравлически гладкой трубе измерены изменения во времени всех содержащихся в уравнениях движения кинематических и динамических характеристик течения; в графической форме приведено сравнение распределений продольных составляющих вектора локальной скорости, касательных напряжений и турбулентной вязкости с вычисленными то квазмстэционарной модели;

4) появляющиеся при разгонном нестационарном течении локальные составляющие турбулентных напряжений коле-баются во времени и в пространстве около нулевого значения, а < и!-о-'? принимают меняющиеся во времени и в пространстве отрицательные значения на всем протяжении измерения нестационарного процесса; во время и после турбулизациж течения

их абсолютные величины одинакового порядка; экспериментами доказано, что наибольшее влияние нестационарного течения на касательные напряжения выражается в пристеночной области;

5) при разгоне жидкости распределения по радиусу трубы составляющих касательных напряжений и отличаются по распределению и по величинам от соответствующих распределений стационарного течения. Медленное приближение к величинам и к виду распределения составляют^ касательных напряжений стационарного течения начинается после изменения знака ускорения осредленного течения;

6) предложены графики для определения величины касательного напряжения по радиусу трубопровода в зависимости от безразмерного времени. Поскольку по экспериментальным данным в настоящее время невозможно дать общее аналитическое выражение ддя описания изменения касательных напряжений, при вычислении нестационарных процессов нужно пользоваться общими уравнениями движения, учитывая определенные по безразмерному времени поправки касательных напряжений с графиков;

7) вычисленные по гипотезе Буссинеска на основе экспериментальных данных'распределения турбулентной вязкости в .ндре потока вр время смены режима течения значительно отличаются от предсказанных по квэзистационарной модели, но в среднем тлеют хорошую сходимость в пристеночной области;

8) в заданных условиях разгона жидкости в круглой трубе из состояния покоя мгновенное распределение локальных характеристик нестационарного течения определяется отношением действующих в течении основных сил - внешней силы давления, инерционной силы и силы трения на стенке. Перераспределение зон действия названных сил при развитии разгонного напорного

течения во времени определяет смену ламинарного режима течения на турбулентный, вызывая появление и изменение составляющих вектора локального ускорения, пространственное перераспределение составляющих вектора локальных скоростей и их величин, появление турбулентных касательных напряжений;

9) процесс возникновения и распространения турбулентности по радиусу трубы при заданных начальных условиях происходит неодинаково: появляющая одновременно на обоих радиусах турбулентность с развитием течения затухает полностью на вертикальном радиусе, а на горизонтальном сохраняется до начала распространения турбулентности по всему сечению течения. При этом распространение турублентности по сечению трубы происходит почти моментально после того, когда силы трения на стенке становятся больше внесших сил давления.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Анализ экспериментальных дяитлг рейнолъдсовых напряжений, возникающих при ускоренных течениях жидкости в трубах // Даниэль Э.К., Лийв 7.Р., Руубел P.D., Сарв Л.Э.Труды ТЛИ. 1985. JS 593. С. 73-84.

2. Измерительный комплекс для измерения гидродинамических цроцнссов при течении жидкости в трубе // Каск Э.Г., Коп-пель Т.А., Лепп A.A., Руубел P.C., Сарв Л.Э. Труды ТЛИ. 1987. № 632. С. 81-88.

3. Руубел Р.Ю. Измерение параметров стационарного течения жидкости в трубе с помощью ЛДА // Труды ТЛИ. 198?. № 632. С. I0I-II5.

4. Руубел P.D. Анализ моделей турбулентных напряжений для замыкания уравнений нестационарного течения жидкости //

Труды ТЛИ. 1987. JS 637. С. 58-69.

5. ЛиЕв У.Р.,Руубел Р.Ю. Влияние нестэдионарносм на величину рейнольдсовых напряжений ускоренных течений в трубе // Гидротехническое строительство. 1987. ß 8. С. 30-33.

6. Айтсам A.A.. Даниэль Э.Х., Руубел Р.Ю. Автоматизированный комплекс для убавления гидродинамической установкой и обработки экспериментальных дадных // Труды всесоюзной конференции "Численные методы и автоматизация исследований в гидродинамике и гидравлике". Сочи, 1988.

Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им. М.И. Калинина Руубел Р.Ю.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИ УСКОРЕННОМ (РАЗГОННОМ) ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ 05.23.16 - гидравлика п инженерная гидрология

На русском языке Подписано к печати 13.11.1989 МВ-06071 Формат 60x84/16

Печ. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 Зал. № 613 Бесплатно

Ротащинт ТТУ, 200006 Таллинн, ул. Коскля, Я/9