автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности работы лесотранспортных ледяных переправ методом гидроэкранирования

САШПЧ]ШРБУРГтЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АИАДЁШШ

РГБ ОД

¡.' рр': • • ■ На правах рукописи

' ОН

Гагарин Навал Николаевич

ПОВЫШЕНИЙ М9ЕКТ1ШН0СТИ РАБОТЫ ЛЕСОТРАНСПОРШ. ЛЕДЯНЫХ ПЕРЕПРАВ МЕТОДОМ ГИДР02КРАНИР0ВАНЙЯ

Специальность 05.¿1.01 - Технология и маашш

лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание, учёной степени кандидата технических наук

САнКТ-ПЕТЕРШГ -

Диссертационная работа выполнена на кафедре водного транспорта леса и гидравлики Архангельского лесотехнического института

Научный руководитель

Официальные олпоненты:

Ведущее предприятие -

академический советник * 11А РФ, доктор технических наук, профессор Харитонов В.Я.

член-корреспондент АЕН, доктор технических наук, профессор Овчинников М.М.; кандидат технических наук Александров Б.Д.

АО СевНИИИ (Северный научно-исследовательский институт промышленности)

Защита диссертации состоится II октября 1994 г., в И часов, на заседании специализированного совета К 063.50.05 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии (Институтский пер., д.5)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургской ITA

Автореферат разослан "9" сентября 1994 г.

Учёный секретарь специализированного совета

Анисимов Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность теми. Совершенствование форм хозяйствования предприятий лесного комплекса предусматривает снижение себестоимости лесозаготовительных и лесотранспортних работ. Этому в известной степени препятствует наличие водных преград в промышленных регионах. Быстрое и качественное возведение ледяных переправ позволит в кратчайшие сроки осуществлять переход с летного на зимний ренин лесозаготовок, свести к минимуму затратч на строительство Дорог, заготовку и вывозку древесины и собственно затраты на намораживание. Известно, что в ряде мест быстрые стрежневые течения образует промоины, способные сохраняться' на длительный период после ледостава. Это сдерживает начало искусственного намораживания трасс переправ сверху. Также снижается безопасность их работы из-за невозможности выполнения Дойотвувщих требований, согласно которых естественный кристаллический слой льда переправы должен быть не менее одной трети её общей толщина.

Поиск новых технологий намораживания, дополпявщих традиционные, позволит увеличить скорость возведения и надёжность работы переправ, а также уменьшить экологически вредное влияние, вызванное действушцимн технологиями. Следовательно, тема диссертационной работы является актуальной.

Цель исследований. Целью работы является разработка научных основ для расчёта и создания защитного экранирования лвсотранс-портных ледяных переправ от размыва речными потопакн.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований явля-птся рочные потоки в начальный период ледостава. При натурной эксперименте определяли влияние атмосферных и гидромеханических характеристик на рост толщина льда на р.Пинега и р.Северная Двина. Лабораторные исследования проводили в гидролотпо кафедры водного транспорта леса и гидравлики "АЛТИ. Исследование взаимодействия потока и льда как твёрдой границы основаны на математической моделировании, вклечаюцем" метод вариационного исчисления и новый нотод аналогии. Использовали.статистические методы обработки и оценки-результатов."

Научная новизна. Разработан новый.метод исследования свойств турбулентных течений, сснованкнй на их аналогии свойствам излучения света и позводяпщий дать наглядную теоретическуи интерпретации процессов взаимодействия различных потоков с твёрдой грани-

цой (льдом). Установлена закономерность начального роста толщины ледяного покрова с учетом динамики речного потока в естественном русло и при защите льда вертикальными экранами. Обоснованы параметры и методика установки устройства экранирования ледяных переправ от влияния речных потоков.

На зацнту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, вклвчающие в себя следующие положения: аналоговые математические модели естественного и экранированного потоков вблизи .твёрдой границы (.льда.); зависимость роста толщины естественного и экранированного льда от гидрометеохарактериотик; технические рсвзния экранирования льда на осково сочетания с традиционными способами нано.ракивания переправ.

Ооосноваикость и достоверность результатов исследования подтверждается их статистической обработкой, использованием классических закономерностей физики и удовлетворительным совпадением теоретических данных с результатами экспериментов, в том число и широко известных ранее.

Практическая значимость. Результаты исследования позволили определить оптимальные параметры устройства экранирования ледяных переправ, что уменьшает срок их строительства на период до 25 суток при осреднённых многолетних температурах воздуха. Аналоговая математическая модель дает возможность рассматривать недостаточно изученные процессы в турбулентных потоках с позиций теории электромагнитного излучения и рекать ряд научных и инженерных задач неравномерного обтекания тел кндкостыэ.

Реализация работы осуществлялась в ходе экспериментальной проверки устройств экранирования на предприятиях А.К."Северолес" в течение трёх лет. практическое применение устройства экранирования реализовано в 13ыйском леспромхозе Ц9Й8 т.) при сооружении ледянок переправы чзрез р.Линегу в лесопункте "Северный". Фактический экономический оффэкт от пробного использования окранов составил 10700 руб или 1,0.3 от суммарной годовой себестоимости заготовки древесины.

Апробация работы. Осношшо положения диссертации долсленн на двух всесоюзных конференциях: "Комплексные проблемы охрани и рационального использования водных ресурсов Европейского Севера'" 11900 г.) и "Экологические проблемы сохранения и восстановления лесов Севера" Ц991 г.); на Архангельской областной и907 г.) а к вузовских Конференциях АЛТН 1.1987, 19ВУ, 1993 и 1991! г.г.); ип

техническом совещании института ВКНИНВОЛТ (198Ü г., г.Казань,». Результаты внедрения освещались в центральных газетах "Советская Россия" и "Лесная промышленность" (.1969 г.). По результатах проведённых исследований опубликовано 7 статей.

Объём и построения диссертации. Работа состоит из введения, 5 разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и 9 приложений. Основная часть содержит 142 страницы машинописного текста, 15 рисунков, 15 таблиц и 81 наименование литературы. Приложения включают 21 страницу машинописного текста, в том числе 10 таблиц и другие материалы.

• СОДЕРИАНИЕ РАБОТЫ

Н первом разделе рассмотрено состояние вопроса с учётом известных технологий намораживания переправ, а также научных исследований в области ледотермики и гидродинамики.

Из известных способов намораживания ледяных пороправ на лесовозных дорогах наиболее производительный является дождевание с помощьп установок, разработанных институтами ШШИВОЛТ и СеьНИЙП. Имеется ряд исследований по упрочнению льда искусственными добавками, а также с различными вариантами подплавов.

Наряду с неоспоримыми достоинствами указанных технологий, сии не устраняет негативное действие речного потока на ледяную поре-праву снизу, что проявляется весьма существенно на быстрых отрея-невых течениях в верховьях и н{1 средних участках рек. Например, на переправах Выйского леспромхоза А.К."Сеи9родес" промоины на стрежне сохраняются в течение Н...4 недель после общего ледостава. Поток замедляет начали искусственного намораживания, сникает уровень оазопасности работы переправы, не давая возможности формирования слоя прочного кристаллического льда необходимой толщины. Толщина такого слоя должна оыть но менео 1/3 общей толщины льда на готовой трасс». Он является основной несуиой частьи ле-дяноги кцеонва, защищает солее пористый.искусственный лед от размыва потоком и повнпает грузоподъемность переправы. Поэтому, по крайней мере, на узких стрезшевих участках быстрых водотоков целесообразно устраивать гидроэкранирование льда при ого росте.

Экранирование принципиально известно и применяется иногда как запань для задержки шуги. Архангельским отделением БКИЛГ:.; предложено оплошное экранирование в виде подлёдной емкости. Т«.<-чологичео::и Со лее приемлемый вариант - установка нескольких

дов поперечных вертикальных экранов со льда в верхней tac. .1: л,и вого сечения потока. Такая конструкция хорошо аккумулирует охлал денные массы воды и ьнутринодный лёд, защищая ледяной покрой от механического и термического влияния потока.

В диссертации выполнен краткий обзор ледот.ермичнских иоилндс ваний, центральное место ь которых занимает работы В.А.Ринит, Р.В.Донченко, А.И.Пеховичи н ряда зарубежных авторов. итмочеп.;, что проблема осенне-зимнего ледостава весьма сложна и всесторонне не изучена.

Толщину ледяного покрова обычно оценивает по приближенной i — 0 5 —

формуле i] = ít (51 Tai) > гле jC ^а." сУмма отрицательных средны-угич-

них температур воздуха с начала лодостава, град-сут; ^ - приведённый коэффициент физических свойств льда, которш! имчот максимальное (теоретической) ацачениэ 3,5'» см/град'сут0;5 нсли влияние потока отсутствует. В" рични> истоких д опытах иаблидлг.т широкий разброс л' меныае указанного придали. Рекомендуемые значения не увязывают с параметрами по-гокоы (Ьадим, Фаико и др.).

Механизм взаимодействия раынше.ринх естественных по-мков со льдом как твёрдой границей основан п:. оо^их фундаментальных положениях теории пограничного июгарифи/.чиокого.) слои. Принципиально иным видом течения считаете«» поток за препятствием (здесь- экраном.). Имеющиеся модели Н.М.Бирнадски>ч., И.И.Лови, ">t.Л.Михалева и ряда других исследователей вызывай? безусловный интерес, но носят, как правило, частный, во многом эмпирический ха'рактер. Это не дает возможности провести простои и корректное сравнение механизмов влияния обоих видов точений на границу. В.Я.Дмитриевым выполнены глубокие исследования этой проблемы на призерах струй с обобщением на задачи лесосплава. При ¡зтэм такко указано на трудности,имевшиеся при переходе от свободного течения к ограниченному стенкой.

В соответствии с целью работы определены следующие задачи: разработка теоретической модели течения, позволяющей установить общие закономерности между экранированным и естественным потоками для возможности сравнения их влияния на ледяной покров; определе-н»ш обобценных параметров, отражавших скорость роста толщины льда и динамическое влияние потока на него; исследование скорости естественного роста толщины льда в зависимости от гидро- и метеоусловия в начальный период ледостава (при отрицательных температурах -воды); исследование роста толщины льда при его экранировании; получение хорреляционной связи упомянутых обобщённых параметров;

выяснение условий целееообралности применения экранирования; обоснование конструктивных и технологических параметров устройства экранирования.

Во втором раздело обоснованы обобщенные параметры скорости роста толщины лидяногп покрова и динамического влияния потока на него для выяснения корреляционной связи (раздал 4).

Порвый обобщённый параметр отражает абсолстнус естественную разницу скорости роста льда без влияния потока и фактической скорости роста. Здесь он определён как "чистая скорость стаива-ния": _

Ы;- —грг- - -—--см/сут, (I)

Ш [I]

где [I]- опытный период намораиивания или маситабная единица времени равная I сут; " начальная и конечная толщина льда, см;

ЧоаС конечная толщина льда, которая могла бы образоваться

без влияния потока, см; о1 - коэффициент физических свойств естественного льда _ равный 3,Ь4 см/сут'."рад":5

средняя отрицательная температура воздуха, град.

Выражение (I) непосредственно следует из известной квадрати-ческой модели роста льда или простейшего интегрирования уравнения теплового баланса. Таким образом, величина обобщает свойства льда и атмосферные условия и мокет быть изморена в натуре.

Расчётному периоду начального роста толщины ледяного покрова соответствует наличие внутриводного льда. Температура воды при этом несколько ниже 0°С. Это затрудняет применение тепловой схемы влияния потока на лёдяной покров.

Использована механическая схема влияния, а в качестве обобщённого параметра динамики потока использована удельная мощность трения Вт/м.2о ледяной покров. Она соразмерна удельному тепловому потоку, но предполагает процесс отрыва и "взвешивания" ядер кристаллизации при росте льда на границе с водой. Она же обеспечивает влечение внутриводного льда вниз по потоку (аналогично теории влекомых наносов). Поэтому установлена прямая зависимость обобщённых адраметров:

М - Аа - Ах.,и - /\р у иА - А р 14 и (?)

где Д - размерный эмпирический коэффициент, учитывающий плотность льда и неизвестную удельнуи работу отрыва ядер кристаллизации, см-м2/сут-Вт;.

о - плотность воды равная 1000 кг/м?

Т0~ касагелыюе напряжение трения потока о лёд, Н/мя;

С,- коэффициент трения потока о лёд;

\] - максимальная скорость потока подо льдом, м/с. скорость трения (.динамическая скорость), м/с.

Принятая механическая схема йзаимодействия потока и льда находится в соотве;'ствии с извеотной концепцией Альтборга (1936 г.) об образовании ядор кристаллизации под ледяным покровом без контакта воды с атмосферой.

На основе зависимостей 11!ези и Маннинга связь с коэффици-энтом шероховатости и нижней поверхности льда имеет вид: С^ = , где R - гидравлический радиус подлёдного пото-

ка равный приблизительно полуглубине Н/2.

Шероховатость льда может быть обусловлена двумя процессами: оседанием внутрнводного льда и торошением начального покрова (П до 0,07). Первый процесс сопровождается недостаточными скоростями течения, а во втором теряется смысл термина "толщина льда". Поэтому оба эти случаи не являются расчётными. При расчётных же больаих скоростях идёт активный процесс "взвешивания" и поверхность льда должна быть гидравлически гладкой. Это наблюдали в ьастояцих натурных экспериментах. Кроме того, по данным Р.А.Нежиховского у начального плоского покрова Л = 0,010 ...0.012, что соответствует гидравлически гладкому режиму русел естественных размеров. Более точно зависимость определена от числа Рейнольдса. Таким образом, обобщенный параметр Су также может быть измерен в натуре.

В третем разделе разработана аналоговая световолновая (в более широком смысле - электромагнитная иля радиационная) модель экранированного и естественного потоков, позволявшая выяснить их обцую природу взаимодействия с твёрдой границей (льдои). Она даёт единув интерпретация мощ ности трения q, (или С*) и позволяет оценить эффект экранирования при различных параметрах устройства: относительной глубины потока = HC//hи относительного расстояния мекду рядами экранов UiarrJ X* =Х„/Ь, • Ь - высот'0, экранов.

Первоначально рассмотрено сдвиговое свободное (вне влияния границ) течение, сходящее о кромки одиночного экрана и развипа-ющееся вниз по потоку в виде плоской струи. Допущено существование некоторой абстрахтной жидкости, плотность секундного импульса которой определяется величиной , где И - продольная (касательнал) скорость точения. Величина близка по смыслу поперечному (нормальному) потоку импульса. Она задана структурно аналогично турбулентному трению Прандт.чя с условной добавкой ко градиенту скорости величины СШ „ учитывающей поглощение импульса средой: - р^Гби/З^Ои)2. Минимизация функционала

по формуле Эйлера показала энергетически наиболее выгодные распределения Ы и 1: : для транзитной части возмущённого течения они являются простыми гармоническими функциями (0 = 0), смещёнными на угол ТТ/2 друг от друга по фазе & = ," для присоединённой части течения (рециркуляция за экраном) эти же функции являются затухающими (А= I).

Таким образом, течение б следе экрана можно представить в виде цепи точечных источников излучения стационарных волн в плоскости потока (рис.1). Источники сходят о кромки экрана и уносятся вниз по потоку со скоростью У . Одновременно с этой жег скоростью увеличивается длина волны X . Тогда в каждой точке потока взаимодействие источника излучения с границей будет характеризоваться вполне определённой фазой падения Хо или углом падения 00-1^2"^«" 3 сечении Х-Xе , где экранированное течение (след) переходит вновь в естественный поток,рост А и 8опрекращается, а все расчётные параметры становятся константами (с символом "е").

Предположено, что законы преломления, поглощения и отражения электромагнитных (световых и др.) волн действуют и применительно к данной схеме. Тогда для граничных амплитуд падающей волны И,.-иС05Уои 10-\JSiil^оможно определить граничные амплитуды поглощённой ТГ0-Си отражённой волн и0Д0. Для этого использованы формулы Френеля: К^Ти, = (и,80Д), ГД0 0< ~ Угол преломления. Последний определяется из аналогии процесса максимальной поляризации излучения (Оу- угол Брюстора) процессу естественного равномерного точения, при этом "ТТ/2-8о • Показатель преломления излучения рг н аналогогом смысла является некоторой характеристикой "гладкости" твёрдой границы, а елр р"* оказывается равной числу Рейнольдиа потока М^И/Р)

и ц&та:

I I >> I I )> >

I > >> 1 >

Xе

Рис Л. Аналоговая схема турбулентного потока за экраном в виде бесконечной цепи источноков света: I - расчётная граница потока; 2 - экран (препятствие) у расчётной границы,• Э - фронт волны присоединённого течения (.рециркуляции) в фазе Я = ЗТГ/2; Ч - фронт волны турбулентного ядра транзитного течения в фазе & =Т1/2.

Приведены отдельные доказательства справедливости и новизнц аналогового метода: дан теоретический расчёт скорости (¡Т0»5И*) на границе перехода курбулентного потока ь истинно ламинарный подслой, которая известна как величина опытная (Рейхардт, Дайс-лер и др,;; предложено объяснение причины регулярного отклонения опытных скоростей течения (Дайслер, Иубауэр и др.; от лога-рифмцчасмго закона; содеркитоя простейшая волновая интерпретация ширина струйного течения при сходе с кромки препятствия в виде 8 »0,25X^/4, которую на основе аппарата теоретической гидромеханики вычислить нельзя (.Л.Д.Ландау.). Согласно аналогии преломления излучения через границу, коэффициент трения потока о стенку в следе экрана и естественном потоке равен

г - о*1!!!!. _ о-„а*+гТ+а (3)

где ^ - постоянная Кармана, известная из логарифмической аппроксимации скоростей, равная О,'»О.

Расчётные значения относительного коэффициента трения С^ в экранированном потоке (.следе; показаны на рис.2 для различных^. В ближнем следе (символы "б"; показаны начальные

участки кривых в 10-кратном увеличении. При гидравлически гладкой режиме сопротивления для подлёдных потоков естественных размеров 0,28...0,32 рад; Xе-10.. .II Н. Сравнение С^ с опытными значениями относительной скорости стаивания в следе экрана приведено в разделе 4 (связь между этики параметрами согласно формулы (2; прямая). Имеет место качественное соответствие расчётной кривой при 5с результатами измерений С^ Брэдшоу и Уонга в аэродинамической трубе за пограничным уступом: наблпдал-ся резкий подъём от нуля в области Х~Мо, затем при X > Э...Ч Н - превышение единицы на 10...15% и далее-стпбилизация С*-«-4 , что соответствует переходу к естественному потоку.

О 0,02 ОМ 0,06 0,08 х+=х/хв

Рис.2. Распределение относительного местного коэффициента трения в дальнем (а) и ближнем (б) следе экрана по модели световолновой аналогии при относительных глубинах потока I - 3; 2 - Н; 3 - 5; Ь - 7,5.

Аналоговый расчёт предварительно показал, что для прерывания развития струи в следе каждого экрана, с целью недопущения резкого подъёма С5 (или или ^ ), последующий экран необходимо ус-^ танавливать на максимальном расстоянии А= Х0~ И0- Распределение С^ в дальнем следе указывает на целесообразность увеличения Но, так. как отдаляется и смягчается область, гдеС*>1.

В четвёртом разделе изложены результаты экспериментов.

В натурных исследованиях, которые были проведены в 1988 г. на р.Линеге (534 км).найдены абсолвтные значения 00 и для установки корреляционной зависимости (2). Характерной особенностью створа является большие скорости течения (0,6...О,8 м/с) и наличие непромерзающих участков на стрежне после общего ледостава.

За период намораживания [1] = I сут найдены: средняя температура воздуха Т01, температура воды 0°С и в шести опытных точках измерены начальное и конечное значения фактических толщин льда при отсутствии снежного покрова. По этим данным находили значения и) по уравнению (О. В тех же точках измерены подлёдные глубины Н и скорости течения I/ в месте их максимумов. Нижняя поверхность изъятых (с помощью бензопилы) образцов льда не содержала каких-либо заметных выступов сероховатости и оценена как гидравлически гладкая.

Коэффициенты трения определены в подобии к коэ^рфициенту Дар-си-Вейсбаха по формуле Никурадзе для гладких труб = ес-

ли где ^ ~ кинематическая вязкость воды, для 1.РС

равная 1,79-КГ6м/с; [), - эквивалентный диаметр сечения pyc.na, приблизительно равный '¿'Л для плоского подлёдного потока, м.

Таким образом, получены спаренные значения (Л' и С}. . Лопол-нительннм было принято условие и) = 0 при О. = 0. В результате корреляционной обработки получено А = 2?.,? см-м/сут-Бт. Доказана адекватность зависимости (2).

Для получения общей расчётной формулы роста льда выполнены экспериментальные лабораторные исследования работы экранирующего устройства с целью определения наилучиих параметров ¡-¡¿-¡1,/|, и Х: = ХоД. При этом исследована способность тандема экранов аккумулировать крупные фракции влекомого внутриводного льда (в виде модельных частиц), который, как известно, осуществляет тепловую к механическую защиту формирующегося ледяного покрора. Также, с целью минимизации, исследован и учтен эффект мпгсооб-

мена условно переохлаждённых объёмов воды между экранами с транзитным потоком посредством турбулентного перемешивания.

Опыты проведены в гидролотке длиной 7ООО мм для потока сечением 150 х 150 мм с закрытой верхней границей. В качестве экранов использованы пластмассовые спаренные п;.эстинки различной высоты. В соответствии с результатами теоретического анализа в каждом опыте принято = Хо .

В качестве крупных фракций влекомого внутриводного льда выбрана серия модельных полимерных калиброванных шариков. Параметры потока моделировали по характерному порогу, после которого частицы начинают увлекаться потоком по поверхности гидролотка, содержащей тандем экранов. Этот порог определён зависимость!) - 7,4 (В.С.Кнороз), где Wj - гидравлическая крупность частиц, равная 0,083 м/с. Скорость потока 17 =0,18 м/с выбрана из указанного условия с помощью общей формулы Никурадзе для гладких труб. При этом выполнен режим автомодельности захвата частиц потоком:

- U.^d/0 >25, где d - диаметр частиц, равный 6,0 мм. В заданных условиях число Фруда соответствует характерному быстрому течении при небольиих глубинах в верховьях рек (например X) =0,8м/с и Н = 2 м) '

Процесс турбулентного массообмена транзитного потока с межэкранной областью смоделирован с помощь») частиц нулевой гидравлической крупности, то есть имеющих плотность воды. Вероятность захвата частиц обеих серий показана на рис.3. Все опыты (24 х 50 вбрасываний частиц) выполнены с условием воспроизводимости по критерию Кохрена.

Оптимальные параметры У<> и соответствуют лучшой способности захвата крупных фракций и минимальному эффекту турбулентного масеопбмена (или теплообмена) еодн. Этим условиям удовлетворяет область между резкими подъемами кривых или Нв=Хо = 5. Такое значение Х^Нй.позволяет рециркуляционному течения (длина которого около б!» ) свободно замкнуться л .мекэкранной зоне и вызвать позчхенннй обмен. С другой стороны,полученное'значение позволяет не слишком сильно сжимать поток, что обеспечивает возможность "оседания" крупных фракции внутриводного льда в пределах расстояния Хц между экранами. Полученную относительную глубину Наследует считать минимально возможной, так как. её увеличение завпдомо не несёт отрицательных эффектов в работе экранов, однако, это в о л к увеличению рядности устройства.

Рп 0,8

0,6

0,4

0,2

2 А 6 8 Хо

Рис.3. Распределение вероятностей Р„захвата экранами модельных частиц предельных гидравлических крупностей: I - максимальной; 2 - нулевой.

В условиях р.Пинеги (14 км) проверена работа двухрядного устройства экранирования с параметрами Но»Хо®5. Основной целью эксперимента являлось измерение распределения вдоль по потоку относительной скорости стаивания льда где скорость стаивания в зоне влияния экранов; Ю - естественная скорость стаивания. В мекэкранной области получено У**0 , при этом прирост естественного льда изменил относительный шаг экранов: . В следе экранов было плавное сопряжение ц)+-»-4 на протяжении Реаулътаты опубликованы, подтверждены актом испытаний устройства экранирования и показаны на рис.4. Здесь жк проведена теоретическая кривая С^, полученная по аналоговому расчёту для Н„= 5. Относительное отклонение опытных точек от кривой не превышает 10%. Опытные точки, полученные в межэкранной области совмещены с точками следа второго экрана. Распределение скоростей стаивания в зоне подпора первого экрана имеет подобный характер, но в зеркальном изображении относительно вертикальной оси.

1э

0.8 0,6

0,2

0

0 0,1 0,2 0,3 к+»х/хе

Рис.Распределение опытных значений относительных скоростей стаивания в следе экранирующего устройства (тандема) при Н* = X* = 5 и теоретических значений относительного коэффициента трения С} по свотоволновой аналогии: I - между экранами; 2 - в следе второго экрана.

На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований предложена общая зависимость роста толщины кристаллического льда в естественном и экранированном потоке:

где - толщина льда на предъидущие сутки, см;

С.; - относительный расчётный коэффициент трения (С^=0 - между экранами при Н0>Х^-5 ; ~ Для вотест-венного потока; в дальнем следе экраниру-

ющего устройства, согласно аналогового расчёта или рис.2).

1 - номер суток со дня общего ледостава([1| = I сут).

/о

Xе = 55м Н* 5,0 М

Уо „ -1 о -2

Формула (4) получена для расчёта начального роста толщины льда. При этом следует вводить обязательное условие так

как, согласно исходной расчётной схемы, мощность трения потока лишь замедляет абсолютную скорость роста на величину и3; в процессе формирования льда, но на может достаточно заметно уменьшить толщину льда, если он уже сформирован. В последнем случае стаива-ние идёт только по тепловой схеме при наличии существенно положительной температуры воды. Применение же тепловой схемы динамики роста льда в начале зимы без учёта механического отрыва кристаллизующихся ядер, вероятно, является причиной резких противоречий известных результатов расчётов и данных наблюдений.

Для оценки скорости наращивания искусственного (наложенного) массива льда рекомендуется использовать теоретически предельную величину по классический тепловой схеме непрерывного контакта "атмосфера - тонкий слой воды". Тогда предельная скорость наращивания А(Та1, где А, ~ коэффициент справочных физических свойств воды и льда,при минимальной плотности последнего 650 кг/м5равный 0,50 см/сут-град.

В пятом разделе изложена методика оценки эффекта экранирования и его выполнения.

Экранирование рассматривается как составная часть технологии намораживания, осуществляемой по общим требованиям. К важнейшим из них относятся следующие: толщина естественного (кристаллического) слоя льда для передвижения людей должна быть не менее 10 см, а для начала намораживания искусственного массива сверху - не менее 1/3 (общей толщины). Последняя зависит от массы поезда: 5 т - 35 см; 15 т - 55 см; 25 т - 75 см; 35 т - 90 см. Контроль толщины выполняют по краям осевой полосы трассы шириной 10 м, при общей ширине намораживаемого массива не менее 30 г^ .

Если создание кристаллического слоя льда естественным образом затруднено или невозможно из-за больших .скоростей, то следует применять экранирование. Как правило, это относится к узким стрежневым участкам. Для оперативной оценки размывающей способности реки удобно использовать величину, имеющую смысл относительной скорости стаивания: Ы* -"Теп'51.1.1, где 1лЗк иТск являются характерными суточными величинами после общего ледостава. Так, для скоростей потока У = 0,4; 0,6 и 0,8 м/с соответственно получено

- 1,65; 5,^)7 и 12,С6 см/сут. ЕслкС^?! , то экранирование, следует рыполнять безусловно, так как будут открытые участки в

естественном ледяном покрове. Еоли0<(*3^1 , то' необходимо сделать оценку целесообразности экранирования для конкретных условий. Рекомендуется прогнозировать рост кристаллического льда по программе ЭВМ согласно формулы для эстественного и экранированного потоков. При этом основным физическим эффектом является выигрыш по времени Дц в расчёте на достижение толщины кристаллического льда толщиной = (ми г{; = 10 см).

Прогноз может быть посуточный (при известных ежесуточных

или осрэднённым долгосрочным. Во втором случае Й;и"и; пересчитывается через суточный перепад уровнойЛЙ;(по осрэднённым данным водпоста или кривым обеспеченности):Не=И0~ IЛЙ; и Х71=и0[И^/Нб)г/! Температура воздуха (отрицательная): »ТаоН^Та!, где Т00 - температура'воздуха на среднюю дату ледостава (3... 5°С);дТа1- ежесуточное сроднее приращение температуры (для северных регионов европейской части страны около 0,2°С).

Суммарный период сокращения М^М¿определяется с учётом искусственного намораживания до толщины Ц« в базовом и проектируемом вариантах по теоретически предельному режиму (см.раздел 4). Так, для средних условий р.Пин-^ги (л/п"Северный", 534 км) М = 25 сут. Это позволяет получить экономический'эффект около 3$ в отношении к годовой себестоимости только за счёт раннего освоения зимней лесосеки; 2% - за счё-т повышения грузоподъемности.

Графики роста льда и расчётные схемы эффекта для разных переправ сугубо индивидуальны. По общим оценкам экранирование может применяться при\7>0,4 м/с. Периоды ДЦ приведены в табл.1.

Таблица I.

Периоды сокращения сроков намораживания естественного льда

экранированием (Тао= 5°С;Д'Т^ = 0,2°С; дН^ = 2 см/сут; Н0=3 м) -------------------------г ----------------------------г

£ Толщина естественного! Периоды сокращения ДЦ, сут I [ слоя льда | п _нач а л ь н о_й к ^^о с т __|

{' Ъ • см I 0,4 [ 0,6 } 0,8 \ -------------------------г-----------г-------------------------

I 10 I I I 12 I 27 I

I 20 I 5 1 22 I 36 :

I зо 1 8 1 гв 1 - 1

I 1 г I

Установку экранов на стрежневый участок рекомендуется выполнять после общего ледостава (остановки движения шуги по стрежню при вероятном наличии промоин ),по возможности,в более ранний момент. При этом, как один из многих вариантов, можно использовать жёсткие рамные конструкции из хлыстов, которые с помощью тягоьой техники перемещают на стрежневую полосу льда и затем к ним крепят экраны (рис.Ь). Экраны выдерживают несколько суток для аккумуляции внутриводного льда и беспрепятственного роста естественного ледяного покрова до необходимой толщины. После этого начинаит заливку или дождевание. В табл.2 указаны необходимые абсолютные параметры устройств, полученные на основе базовых Н£= 5 и Хг0= 5 с условием сохранения постоянного прироста льда в межэкранной зоне в пределах осевой контрольной полосы трассы переправы.

Таблица 2.

Параметры устройств экранирования при Но=Х0 = 5

1Толщина Глубина Начальная "Г----------Г" I Шаг I Количество I

}естест- реки Но, высота т экранов т рядов т

1венного см экранов I Хо , см I экранов I

тслоя к. см I " I I I

1лъда ^ ,; I I Т Т

j см 1 1 I I

200 40 I 180 1 6 \

1 10 ЗОС 60 I 300 I 4 I

400 80 I 1,20 I 3 {

200 40 1 120 I 9 }

I 20 300 60 I 240 I 5 I

80 I 360 I 4 ]

200 40 I 60 I 17 ]

1 30 300 60 I 180 I 1 ]

400 80 I '°'J 1 ■'( г

x-------- ------------ -------------- —т------------;.. ---- .. ----1

2 3

г*

ж

Ж

Хо

и

Ур

о

а:

1111—!—П—) I 7—7—!—1—I I Г I I 'I I I > I I 1 > I I I I > 11 I

< 2 А-А

Рис.5. Вариант конструкции экранирования потока в разрезе: а - продольно«; б - поперечном. I - начальный ледяной покров; 2 - рама; 3 - настил; - экран.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В работе получены следующие основные результаты, выводы и рекомендации.

1. В процессе естественного наморал^ивания начального покрова льда переправ его нижняя поверхность нуждается в защите (экранировании) от механического воздействия речных потоков, которое уменьшает скорость ледообразования. Для оценки скорости роста толщины естественного льда в естественном и экранированном потоке следует использовать формулу (4) с подстановкой соответствующих коэффициентов трения в относительном виде: 0 ^ Для указанных принципиально различных видов течений С^ могут быть сопоставлены между собой о помощью световолновой аналоговой модели турбулентного потока, изложенной в настоящей работе. Коэффициент трения является безразмерной оценкой мощности трения потока о ледяной покров (при заданной скорости течения I/ ). Мощность трения оогласно принятой схеме взаимодействия потока с ледяным покровом, прямопропорциональна потеряной скорости роста толщины льда (скорости отаивания ^ )

2. Формула (4) может испольаоваться только в период роста льда. Она основана схбмо механического влияния потока: определяет интенсивность отрыва с нижней поверхности ледяного покрова варокдас^ихся ядер кристаллизации и непосредственно "взвешивает" внутриводний лёд. Получено, что при Ч » 0,4; 0,6 и 0,8 м/с, 1л) соответственно достигает 1,65; 5,57 и 12,06 см/сут, ни при условии, что она покрывается потенциальным приростом льда при наличии достаточно низких температур воздуха. То есть, уменьшение толщины ледяного похаова (абсолютное стаивани«) под действием ^ .как теплового эквивалент, практически отсутствует.

3. Защиту ледяного покрова для обеспечения его беспрепятственного роота в местах повышенных стрежневых скоростей (1/>0,4 м/с) следует выполнять с помощью подлёдных вертикальных экранов, устанавливаемых в несколько рядов поперёк потока.

• Основным физическим эффектом экранирования льда является сокращение периода намораживания естественного кристаллического олоя на величину ДЦ. Последняя определяет болей раннее начало ис-кусствоннного камрраянвашш льда сверху. При определении полного периода сокращения сроков строительства, следует в общем случае ис-полэоЕать заииснкост»теоретического предела скорости намэра-

кивания искусственного массива льда как по проектируемому, так и rio базовому вариантам.

5, Практическая невозможность ооблвдения природных условий начального ледостава в лабораторных экспериментах не позволяет непосредственно получить гидроледотермяческие зависимости, основанные на большом количестве опытов. Но с помощью моделирования по числу Фруда и безразмерной гидравлической крупности получены оптимальные параметры устройства экранирования по способности аккумулировать и сохранять охлаждённые массы водоледя-ной смеси: относительная глубина потока и относительный шаг экранов -Ъ •

6, Указанные параметры имепт удовлетворительнее обоснование с позиций теоретической аналоговой модели: позволяет отсекать последующим экраном резкий подъём от нуля э следе предыдущего и не допускать чрезмерного турбулентного перемешивания между экранами; HJ=5 позволяет не допускать опасного повышения Cj в дальнем следе экранов.

7, Результатами натурного испытания устройства экранирования на р.Пинеге (14 км) установлено, что при указанных параметрах рост льда между экранами характеризуется отсутствием стаи-вания ((аЬ-О), а восстановление естественной толщины ) происходит плавно на расстоянии болзо 4Н от нияного по течению экрана. Эти результаты удовлетворительно предсказываются теоретической аналоговой моделью (см.рис.'4).

8, Экранирование было применено для возведения переправы на 534 км р.Иннеги в л/п Северный Выйсг.ого КЛПХ в 1988 году. В результате стрежневые промоины, сохранявшиеся на тонком льду в течение 2 недель до этого момента, покрылись льдом толщиной 20 см в точение ?. суток. Это позволило начать неморадивакиэ сверху. Экономический эффект по факту составил 10700 руб или 1.0,$

в отношении суммарной годовой себестоимости работы лесопункта.

9, При средних многолетних температурах для Европейского Севера и скоростей течения подо льдом 0.7...О,8 м/с экранирование позволяет ускорить ввод перзпраен на период до с5 сут. Например, в расчёте на одну переправу л/п Северный это дает экономический эффект около % от суммарной себестоимости работы лесопункта только за счёт более раннего перехода на зимивв лесосеку . Экранирование но требует больших материальных вложений и трудозатрат. .Дополнительный эффект может быть получен за

счёт повышения грузоподъёмности и надекности работы переправы, а также устрчения экологического загрязнения (завалов промоин древесными отходами, вмораживания больших объёмов долготья и др.). Он обусловлен повышенной прочностью естественного льда.

10. Производственными комиссиями способ рекомендуется для широкого применения при строительстве переправ на быстрых водотоках (как правило в верховьях и средних течениях рок).

11. Теоретические результаты, полученные в настоящей работе, является основой для углубления аналогового метода изучения процессов гидро- и аэромеханики и решения ряда других научных и инженерных задач.

По материалам диссертации, опубликованы следующие работы:

1. Харитонов В.Я., Гагарин П.Н. Ускоренное возведение ледяных переправ в лесной промышленности // Великий Октябрь и современность: Тез.докл. Обл.иаучно-техн.конф.-Архангельск,1987.-С.37-40. ' '

2. Харитонов В.Я.., Гагарин П.Н. Ледяным переправам - экологическую чистоту // Комплексные проблемы охраны и рациональное использование водных ресурсов Европейского Севера на примере рек Северодвинского бассейна: Tes.докл.Всесоозн.конф.-Архангельск, 1988.-С.58-61.

3. Харитонов В.il-, Мельников Л.В., Суров Г.Я., Гагарин П.Н. и др. На пути к экологически чистому лесосплаву в Северодвинском бассейне // Актуальные проблемы комплексного использования лесных ресурсов на Европейском Севере: Сб.науч.тр.-1969.-С.58-б1.

U. Харитонов В.Я., Гагарин П.Н. Река промерзает быстрее // Лесная промышленность,-1989.-И.-С.24-25.

5. Гагарин П.Н. Обоснование экологически чистого способа возведения ледяных переправ // Леси.гурн.-1989.-fê6-C.58-61.

6. Гагарин П.Н. Теоретическая модель турбулентного плоского движения жидкости за гасителем точения // Лесн.журн.-1991.-И.

7. Гагарин П.Н. Радиацнонно - оптическая аналогия механики турбулентного потока // Лесн,журн.~199 .-К . (-£ >ицс/>1гч)

Просим Баки отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу: I940I8, г.Санкт-Петербург, Институтский переулок, д.6, Санкт-Петербургская лесотехническая академия, Учёному секретарю.