автореферат диссертации по энергетике, 05.14.09, диссертация на тему:Распределение размеров частиц наносов по глубине взвесенесущего потока

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ДИНАМИКИ ВЗВЕСЕНЕСУЩИХ ОТКРЫТЫХ ПОТОКОВ.

1.1. Характеристики наносов.

1.1.1. Геометрические размеры частиц наносов

1.1.2. Гидравлическая крупность наносов

1.1.3. Гранулометрический состав наносов

1.2. Теории движения взвешенных наносов

1.2.1. Диффузионные модели взвесенесущего потока

1.2.2. Обобщенные модели движения наносов

1.3. Основные результаты экспериментального исследования движения наносов во взвесенесущем потоке

1.3.1. Экспериментальные установки и методы исследований транспорта наносов

1.3.2. Результаты экспериментов с натурным песчаным материалом

1.3.3. Результаты экспериментов с заменителями песка

1.4. Направление дальнейших исследований и постановка задачи.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРВДЮСЫЛКЙ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ О РАСПРЕДЕЛЕНИИ КРУПНОСТИ НАНОСОВ ПО ГЛУБИНЕ ОТКРЫТОГО ВЗВЕСЕ-НЕСУЩЕГО ПОТОКА.

2.1. Основные закономерности распределения крупности наносов по глубине взвесенесущего потока

2.2. Уравнение Фоккера-Планка и его применение к анализу распределения крупности наносов по глубине взвесенесущего потока.

2.3.Обоснование постановки экспериментальных исследований

ГЛАВА. 3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРЖШТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Экспериментальная установка.

3.2. Методика проведения экспериментов

3.3. Методика обработки результатов экспериментов

3.4. Натурные исследования

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЖ'ЛЕНТАЛЬНЫХ И НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДОШНИЯ КРУПНОСТИ НАНОСОВ ПО ГЛУБИНЕ ВЗВЕСЕНЕСУ1ЩГ

ПОТОКА.

4.1. Основные результаты экспериментов

4.2. Сравнение результатов экспериментов с расчетом по диффузионной модели

4.3. Анализ возмодности описания распределения наносов по крупности по натурным и экспериментальным данным.

Развитие гидротехнического и гидромелиоративного строительства, определенное решениями ХХУ1 съезда КПСС и последующих Пленумов ЦК КПСС ставит высокие требования к качеству проектирования гидротехнических и гидромелиоративных сооружений с позиций их экономичности и надежности. В особенности это проявилось при разработке научного обоснования и проектных решений территориального перераспределения водных ресурсов страны.

В то же время, поскольку гидротехнические и гидромелиоративные сооружения всегда связаны с русловыми потоками, надежность этих сооружений может быть повышена и за счет совершенствования методов расчета динамики русловых потоков.

В этой проблеме достигнут значительный прогресс. Это относится прежде всего к теории руслового процесса, развитой М.А. Великановым /19/, Н.Е.Кондратьевым,И.В.Поповым, Б.Ф.Сншценко /37/, Н.А.Ржаницыным /65/,К.И.Россинским и И.А.Кузьминым /70/; методам расчета земляных каналов, предложенным Е.Н.Рабковой /62/, А.М.ОДухамедовым /52/, В.С.Алтуниным, Т.А.Алиевым /4,3/ и др.; методам расчета заиления водохранилищ и отстойников (А.В.Караушев /32/, В.С.Лалшенков /41/, В.1^аф /96/, Х.Ш.Шапиро /84/); расчету гидравлических сопротивлений при наличии размываемого дна (С.Х.Абальянц /I/, В.С.Кнороз /33/, С.Ялин /112/; расчету русловых деформаций Ш.А.Ржаницын /66/, К.И. Россинский, И.А.Кузьмин /70/, А.Н.Бутаков /17/), расчету общего расхода наносов, перемещаемых потоком , выполненному Я.Богарди /92/, В.Н.Гончаровым /21/, И.И.Леви /42/, К.И.Российским, В.К.Дебольским /68/ и другим аспектам динамики русловых потоков, включал расчет параметров донных форм, местных и общих размывов русел. Тем не менее новые требования, выдвигаемые к методам расчета, определяемые новыми задачами, вызывают необходимость их дальнейшего совершенствования. Одним из направлений здесь может явиться более точный, по сравнению с существующими методами, расчет характеристик наносов, определяющих их поведение в русловом потоке.

Практически во всех задачах динамики русловых потоков, связанных с расчетом транспорта наносов, как правило, необходимо определять распределение концентрации наносов по глубине взвесенесущего потока. Решение этого вопроса, в цринципе, должно быть основано на реализации математической модели движения полидисперсной смеси наносов открытым потоком. Таких моделей построено довольно много. От самых общих (Ф.И.Франкль /80/; Б.А.Фидман /78/, С.И.Криль /39/)до самых простых СХ.Рауз /64/, М.А.Великанов /19/). Однако реализация всех этих моделей неизменно затруднена в первом случае - значительной незамкнутостью уравнений, а во втором - остающейся необходимостью введения эмпирических соотношений для коэффициента турбулентной диффузии частиц в потоке. Однако, использование простейших моделей оказывается, с точки зрения практики, весьма перспективным при достаточно полном учете в эмпирических соотношениях взаимодействия частиц с турбулентным потоком. Более того и для все более развивающихся численных моделей заиления водохранилищ, размыва русел, перелива через земляные плотины, осадко-накопления в эстуариях и т.п., этот путь оказывается единственно приемлемым (В.Ы.Дятхер/43/, М.Эббот/88/).

Кроме того, наносы в натуре всегда неоднородны по размерим, поэтому практический и научный интерес представляет изучение расггределния размеров частиц наносов во взвесенесущем потоке.

Актуальность работы. В практике проектирования гидротехнических и гидромелиоративных сооружений при оценке средней величины или в расчете распределения по глубине потока концентрации наносов обычно пользуются расчетными зависимостями, основанными на решении уравнения диффузии, в которых в показатель степени при экспоненте входит характеристика частиц наносов. Более того, в целом ряде случаев, связанных, например, с определением динамики заиления водохранилищ, поступления наносов в нижний бьеф гидроузлов различного назначения, проектированием наносоперехватыващих сооружений, селективных водозаборов и т.п. весьма важно знать распределение размеров частиц наносов по глубине потока.

Таким образом, разработка метода расчета распределения размеров частиц наносов по глубине взвесенесущего потока позволяет повысить точность расчетных зависимостей для определения концентрации взвеси, основанных на диффузионной модели, а также повысить надежность проектирования гидроузлов и других сооружений и поэтому является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилось на основе обобщения существующих представлений о транспорте взвешенных наносов открытым потоком, теоретических и экспериментальных исследований разработать метод расчета распределения размеров частиц наносов по глубине взвесенесущего потока. При этом в задачи настоящего исследования входило следующее:

1. Анализ и обобщение современных концепций в области динамики взвесенесущих потоков с целью определения роли различных факторов в формировании потока взвеси.

2. Построение математической модели распределения размеров частиц наносов по глубине взвесенесущего потока.

3. Проведение экспериментов и натурных исследований взве-сенесущих потоков с целью адаптации методов расчета распределения крупности наносов и их концентраций по глубине взвесенесущего потока.

Научная новизна. В процессе исследования получены следующие новые научные результаты:

- построена математическая модель,описывающая распределение размеров частиц наносов, отрывающихся от дна, по глубине потока;

- модель замкнута с помощью эмпирического соотношения, полученного на основе независимых экспериментов с материалом, отличным по плотности от песка, что расширяет диапазон ее применения ;

- получены экспериментальные и натурные данные по распределению концентрации и размеров частиц наносов по глубине потока, позволившие осуществить проверку адекватности предложенной модели и скорректировать диффузионную модель М.А.Великанова;

- цредложен метод расчета распределения размеров частиц наносов и их концентрации по глубине взвесенесущего потока.

Практическое значение работы. Разработан метод расчета распределения размеров частиц наносов и их концентрации по глубине взвесенесущего потока, использование которого в практике проектирования позволит повысить надежность гидротехнических и гидромелиоративных сооружений, а также точность расчета заиления водохранилищ, размыва русел в нижнем бьефе сооружений и т.п.

Реализация работы. Результаты исследования внедрены при разработке научного обоснования территориального перераспределения водных ресурсов (задание ГКНТ 0.85.01, тема 03.06) с целью прогноза русловых переформирований по трассам переброски стока.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены в трех статьях. Они обсуждались на заседании секции Ученого совета ВНИИГиМ, на П Всесоюзном симпозиуме по литодинамике океана (Москва, 1981), на Всесоюзной конференции "Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства" (Москва, 1983).

Объем работы. Диссертация содержит 101 страницгмашинописного текста, 35 рисунКов, II таблиц. Работа состоит из предисловия, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего ИЗ наименований и приложения, в котором помещены основные результаты экспериментов и натурных исследований.

В первой главе рассматриваются современные концепции транспорта открытым потоком взвешенных наносов. Анализируются основные характеристики частиц несвязных наносов, определяющие их взаимодействие с потоком, из которых выделяются геометрические размеры частиц и их форма, гидравлическая крупность частиц, параметры гранулометрического состава. Рассматриваются основные современные теоретические и полуэмпирические схемы, описывающие транспорт взвешенных наносов открытым потоком, анализируются основные экспериментальные результаты в зависимости от методики экспериментирования. Дается постановка задачи.

Во второй главе развивается на основе диффузионной модели Фоккера-Планка теоретическая схема, описывающая вероятность пребывания частицы данного размера на заданном расстоянии от дна потока, транспортирующего взвешенные наносы, которой придается смысл гранулометрического состава концентрации взвеси. На основе экспериментов (С.М.Анцыферова, В.К.Дебольского /8/) с бакелитом предлагается эмпирическое соотношение, замыкающее теоретическую схему. Дается обоснование постановки экспериментальных исследований.

В третьей главе приводится описание экспериментальной установки, а также методики экспериментов и натурных исследований. Отличительной особенностью этой части работы явилось использование замкнутой циркуляционной установки, позволившей обеспечить стационарный режим транспорта наносов, а также применение в натурных условиях наносонакопителей, позволивших получить существенное осреднение концентрации взвеси на каждом горизонте.

В четвертой главе приводятся основные результаты эксперимента и натурных исследований. Производится оценка цримени-мости диффузионной модели М.А.Великанова для расчета распределения концентрации взвешенных наносов по глубине потока. По данным собственных и привлеченных измерений проверяется теоретическая схема, описывающая распределение размеров частиц наносов по глубине взвесенесущего потока. Дается метод расчета гранулометрического состава взвеси на заданном горизонте, предлагается применять результаты расчета по этому методу в диффузионной модели М.А.Великанова, описывающей распределение концентрации наносов по глубине взвесенесущего потока, даются пути развития метода к расчету концентрации и расхода взвешенных наносов на основе введения вероятности отрыва частиц от дна. В заключении приводятся основные вывода по результатам выполненного исследования.

Предметом защиты настоящего исследования является метод расчета распределения размеров наносов по глубине потока, транспортирующего взвесь и приложение этого метода к расчету концентрации взвеси.

Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю работы профессору, д.т.н. Х.Ш.Шапиро, сотрудникам гидравлической лаборатории МГМИ за большую помощь в проведении экспериментов, а также сотрудникам Отдела гидрофизики ИБП АН СССР за помощь в проведении натурных исследований и любезное предоставлении части экспериментальных материалов.

Основные результаты экспериментов, выполненных в гидравлической лаборатории ШЛИ на установке, описанной® главе Ш сведены в Приложение и представляют собой данные о распределении скоростей течения и концентраций наносов по глубине взвесенесу-щего потока при различных его параметрах.

Как можно видеть из представленных в главе Ш иллюстраций и по данным Приложения, распределение скоростей течения (рис. 3.3) по глубине потока во всех сериях опытов близко к логарифмическому, распределение концентраций (рис.3.6)»выраженных в относительных объемных единицах близко к экспоненциальному, а распределение размеров частиц по крупности (рис.3.2) - к нормальному закону. Все это позволяет использовать данные проведенных опытов для проверки диффузионных моделей взвешенных наносов, в которых приняты допущения о справедливости логарифмического профиля скорости, экспоненциального распределения концентраций по глубине и применимость нормального закона распределения к описанию зависимости крупности наносов от глубины.

В таблице 4.4 представлены основные параметры серий экспериментов с песком Дмитровского карьера.

4.2. Сопоставление результатов экспериментов с расчетами по диффузионным моделям

Наиболее простой диффузионной моделью является соотношение, предложенное М.А.Великановым /19/ в виде

Кг

Ь ? (4.3) г 1

1. АЕАЛЬЯНЦ С.X.Устойчивые и переходные режимы в искусственных руслах. Л., Гидрометеоиздат, 1981.

2. АБЕГАУЗ Г.Г., ТРОНЬ А.П. ДОПЕНКИН Ю.Н., КОРОВИНА И.А. Справочник по вероятностным расчетам. М., 1970, 530 с.

3. АЛИЕВ A.A. Оценка гидравлического сопротивления крупного земляного канала с учетом размыва русла и донных форм. Тр.Всес. конф. Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства, М., МГУ, 1983, I0I-I02.

4. АЛТУНИН B.C. Методика прогнозирования русловых процессов в реках и каналах в зоне межбассейнового перераспределения части стока. Тр.Всес. конф. Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства. М., МГУ, 1983, 88-89.

5. АНДРЕЕВ О.В., ЯРОСЛАВЦЕВ И.А. Моделирование русловых деформаций. Сб.Русловые процессы, АН СССР, 1958.

6. АНЦШЕРОВ С.М., АНОХИН Ю.С., ВИНОГРАДОВ М.И., ШУЛЯК Б.А. Методика экспериментального исследования перемещения сыпучего материала в плоском поступательном потоке. Тр.Союзморнии-проект, М., вып.12(18), 1966.

7. АНЦШЕРОВ С.М., БА1ШНСКИЙ Т., ОНИЩЕНКО Э.Л. Методика натурных исследований концентрации и состава взвешенных наносов. Сб.Особенности и трансформация гидродинамических процессовв прибрежной зоне безприливного моря. Gdynia, Raporty MIR, ser.R.2, 1977.

8. АРХАНГЕЛЬСКИЙ Б.В. Экспериментальное исследование точности шкал гидравлической крупности частиц. Изв.ВНИИГ, 1935,т. 15, 152-194.

9. П) АСАУЛЕНКО И.А., ВИТ01ШШ Ю.К., КАРАСИК В.М., КРИЛЬ С.И.,

10. ЕЕРНАЦКАЯ Н.В.,ДЕБОЛЬСКИИ В.К. О расчете гранулометрического состава взвешенных наносов. Сб.Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства, Изд.МГУ, М., 1983.

11. ЕЕРНАЦКАЯ Н.В.,П0Н0МАРЕНК0 И.А., РАИВДЖАНОВ Н.Р. Распределение концентраций и размеров частиц наносов по глубине взвесе-несущего потока. Гидротехника и мелиорация, 1984, I.

12. БЕРНШТЕЙН С.Н. Теория вероятностей, М., 1946.

13. БУРЛАЙ Н.Ф. Гранулометрические и грануломорфологические факторы и закономерности движения наносов. Сб.Движение наносовв открытых руслах, Наука, 1970.

14. БУТАКОВ А.Н. Деформации дна водотока на участке расширения Сб.Динамика и термика рек, Стройиздат, М., 1973.

15. ГОНЧАРОВ В.Н. Динамика русловых потоков. Гидрометеоиздат, Л.,1962, 374 с.

16. ДЕБОЛЬСКИЙ В.К., КОГАН Л.Д. Исследование гидравлической крупности наносов горных рек. Метеорология и гидрология. 1973,4.

17. ЗРЕЛОВ Н.П. Обобщенная формула скорости осаждения частиц в спокойной жидкости. Тр.гидравл.лаборатории ВНИИ ВОДГЕО, М., 1955, вып.4.

18. С"3|. ИБАД-ЗАДЕ Ю.А. Движение наносов в открытых руслах. М.Стройиздат, 1974, 347 с.

19. КОСЬЯН Р.Д. Экспериментальное исследование движения взвешенного обломочного материала в придонном слое верхней части шельфа. Дисс.на соск.уч.ст.к.т.н.,М., 1975. /39. КРИЛЬ С.И. Уравнения гидродинамики для двухфазных смесей.

20. МИХАЙЛОВА H.A. Перенос твердых частиц турбулентными потоками воды. ГЛ., Гидрометеоиздат, 1966, 236 с. (5x1 МОНИН A.C., ЯГЛОМ A.M. Статистическая гидромеханика. М., Наук: 1965, 640 с.

21. МУХАМЕДОВ A.M. К вопросу исследования продольной и поперечной устойчивости крупных земляных каналов. Вестн.сельхоз. науки, 1983, № 9, I25-I3I.

22. НИКИТИН И.К. Турбулентный русловой поток и процессы в придонной области. Изд. АН Укр.ССР, Киев, 1963, 114 с.56? 0БРА30ВСКИЙ A.C. К вопросу о механизме взвешивания наносов равномерным турбулентным потоком. Тр.ВНИИ ВОДГЕО, вып.5,М., 1957.

23. ОНИЩЕНКО Э.Л. Определение концентрации и состава взвешенных наносов в придонном слое верхней части шельфа. Дисс.на соиск. уч.ст.к.ф.-м.н., М., 1977.

24. ПРОСКУРЯКОВ А.К. К вопросу о двух теориях переноса взвешенных наносов. Сб.Проблемы русловых процессов. Гидрометеоиздат, Л., 1958.

25. РАЕКОВА Е.К. Метод расчета больших каналов. Гидротехника и мелиорация, 1976, Гп 3, М., Колос.

26. РЖАНИЦЫН H.A.(ред) Речная гидравлика и гидротехника. М.,1973.

27. РОМАНОВСКИЙ B.B. Экспериментальное исследование гидравлической крупности наносов. Тр.ГГИ, 1972, вып.191, III-I36.

28. РОССИНСКИЙ К.И., КУЗЬМИН И.А. Балансовый метод расчета деформации дна потока. М., Госстройиздат, 1964, Тр.Гидропроекта, вып.12.

29. САНОЯН В.Г., АНАНЯН А.К. К вопросу о движении наносов в турбулентном потоке. Сб.Исследование максимального стока волнового воздействия и движения наносов. Изд. АН СССР, М.,1960.

30. СЕДОВ Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. М., БШТЛ, 1957.

31. СИНЕЛЬЩИКОВ B.C. Распределение концентраций взвеси в турбулентных двухфазных потоках. Изв.АН СССР, ОТН, механика и машиностроение, 1968, В I.

32. ФВДЩН Б.А. Теория движения взвешенных наносов. Сб.Динамика и термика речных потоков. Наука, М., 1972, 37-49.

33. ЧЕРНЫЙ Л.М. Закономерности гранулометрического состава продуктов дробления и измельчения. Тр.ГосНИИгорнохимического сырья, вып.1, 1950.

34. Bagnold R.A. The movement of desert sand. Proc.Roy.Soc, London, ser.A, n.892, v.157, 1936.

35. Bagnold E.A. The flow of cohesionless grains in fluide. Philos.Trans.Roy.Soc.London, v.249,n. 964, 1956.

36. Bogardi J. Sediment transport in alluvial streams. Akad. Kiado, Budapest, 1974, 826 p.

37. Debolsky V.K., Shterenlicht D.V., Kotkov V.M., Polad-Zade A,P. Study of sediment transport during withdrawing of water from rivers. XVIII Cong.IAHR, Italia, 1979» 6, Sem.I

38. Dobbins W.E. Effect of turbulence on sedimentation. ASCE Hydr.Div., 109, 1943.

39. Einstein H.A., Chien N. Second approximation to the solution of the suspended load theory. Inst, of Eng.Res. ser. 47, n.2, 1952.

40. Graf W., Acaroglu E. Settling velocities of Natural Grains. Bull.of the Intern. Ass.of Sci.Hydr., 1966, IX ann. n.4.

41. Graf W. Sediment transport in alluvial flow. N.Y., He. Grou-Hill, I97I.

42. Hjelmfelt A.T., Lenau C.W. Effect of Concentration on sediment distribution. J.Hydr.Div., ASCE,v.95»n.5> 1969«

43. Hunt J.H. On turbulent transport of a neterogenoous sediment. J.Mech. and Appl.Math.,v.22,n.2, 1969.

44. Ippen A.J. A new look of sedimentation in turbulent streams. J.Boston Soc.Civ.Eng.,v.5S,n.3» I97I*

45. Maude A.D., Whitmore P.L. A generalized theory of sedimentation. Brit. J.Appl.Phys. n.9, 1958, 477-482.

46. McNown J.S., Malaika J. Effect of particle shape of settling velocity at low Reynolds numbers. TAGU, 51/1,1950.

47. McNown J.S. Pin Nam Lin. Sediment concentration and fall velocity. Sec.Midwestern Conf. on Fluid.Mech.,1952.

48. Rubey W.W. Settling velocities of Gravel sand and Sitl. Amer.J.Sci.,v.25, 1933.

49. Sedimentation Manual Committee on sedimentation. Sediment transportation mechanics: Introduction and properties of sediment. ASCE, J.Hydr.Div., 1962, n.VII.

50. Senturk F. Mechanics of "bed formations. La Houille Blan, n.2, 1969.

51. Simons D.B., Richardson E.Y. A study of variable affecting flow characteristics and sediment transport in alluvial channels. Proc.Feder.Inter.Agency Sedimentate. Conf., Jacson Miss, 1963, Wash., 1965.

52. Simons D.B., Richardson E.Y. Study of variable effecting flow characteristics and sediment transport in alluvial channels. Hydr.Eng.US Geol.Surv. Fort Collins, 1968, I4I-I53.

53. Stelczer K. Problems relating to bed morphology with special regard to permissible velocities. XI Cong. IAHR, 1965.

54. Vanoni V.A. Transportation of suspendid sediment by water. Trans.ASCE, n.III, 1946.

55. Willis J.C. A new mathematical model for the velocity distribution in turbulent shear flow. J.Hydr.Res.,v.I0, n.2, 1972.

56. Zagustin K.Sediment distribution in turbulent flow. Bull. lab.de hidraul. I969,ti.2, Univ.central de Venezuela.

57. Jalin M.S. Mechanics of sediment transport. Pergamon Press,1. Oxford U.K., 1976.

58. Jasiewicz R. Badunie rozkladu unosin w rzekach. Gosp.wodna, n.11-12, 1973.1. ПНШЖЕНИЕ