автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Разработка и применение новых методов исследования кинематической структуры водного потока



ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ И МЕЛИОРАЦИИ им. А.Н.Костякова (ВНИИГиМ)

На правах рукописи УДК 532.543

КУШЕР АНАТОЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВОДНОГО ПОТОКА

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Научный руководитель доктор технических наук Филиппов Е. Г.

Москва - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................ .4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ НЕРАВНОМЕРНОГО ПОТОКА НА ПЕРЕПАДЕ

1.1. Сравнительный анализ бесконтактных оптических методов лабораторных исследований кинематической структуры турбулентных потоков.................12

1.2. Анализ исследований неравномерного потока на перепаде в горизонтальном прямоугольном русле.......22

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВОДЙШ" Штоков

2.1. Разработка общих принципов измерений,

обработки и регистрации данных.....................33

2.2. Краткое техническое описание автоматизированной измерительной системы ТИССА-2.....................40

2.3. Состав математического обеспечения измерительной системы и краткая методика обработки ( данных на ЭВМ....................................46

2.4. Перспективные средства измерения скоростей

потока на основе разработанных принципов...........50

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

3.1. Теоретическая оценка погрешностей измерений.........72

3.2. Методика и результаты испытаний первичного преобразователя....................................80

3.3. Методика и результаты стендовых испытаний

измерительной системы..............................84

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНЫХ ПОТОКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ "ТИССА-2" 4.1. Измерение характеристик турбулентности руслового

равномерного потока...............................89

4.1.1. Описание опытов и алгоритмов обработки данных.....89

4.1.2. Анализ результатов измерений.......................94

4.2. Исследование структуры неравномерного потока

на примере течения на подводящем участке перепада в прямоугольном горизонтальном русле..............111

4.2.1. Задачи и методика экспериментальных исследований потока в области перепада..........................111

4.2.2. Описание опытов и использованных измерительных устройств.........................................115

4.2.3. Анализ результатов исследований...................118

4.2.4. Инструментальные проблемы применения метода конечной глубины.................................154

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.....................162

ЛИТЕРАТУРА..............................................165

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Распространенные контактные устройства (вертушки, трубки Пито-Прандля, термоанемометры и др.) нарушают структуру потока, что особенно существенно в лабораторных исследованиях. Большинство известных методов определения кинематической структуры потока не предназначены для исследования течений одновременно в широкой области. Универсальные фотографические методы весьма трудоемки и не обеспечивают оперативности получения результатов. В известных фотоэлектрических методах не решены вопросы анализа изображений и обработки больших объемов измерительных данных, необходимых для оперативных измерений полей статистически надежных характеристик турбулентных потоков, что ограничивает их применение в гидравлике.

Несмотря на широкое использование гидрометрических сооружений, теоретические методы расчета резко неравномерных открытых потоков с негидростатическим распределением давления по глубине отсутствуют. Даже для простейшего из них- потока на перепаде в горизонтальном прямоугольном русле существующих экспериментальных исследований недостаточно для определения факторов, влияющих на точность измерения расхода методом конечной глубины.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка новых бесконтактных методов исследования кинематической структуры течений, обеспечивающих автоматизацию процессов определения статистических характеристик турбулентности одновременно в широкой области потока, автоматизированной измерительной системы на основе этих методов, проверка и применение разработанных методов и аппаратуры в исследованиях русловой турбулентности и резко неравномерных течений на примере потока на перепаде в горизонтальном прямоугольном русле для определения его гидрометрических свойств.

Задачи исследований:

- анализ существующих и разработка новых методов измерения скоростей потока жидкости;

- техническая разработка автоматизированной измерительной системы, реализующей эти методы;

- разработка математического обеспечения измерительной системы, включая алгоритмы и машинные программы обработки экспериментальных данных;

- теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанных методов и аппаратуры. Разработка методик и специализированных стендов для лабораторных исследований погрешностей измерений;

- применение разработанных методов и измерительной системы в исследованиях статистических характеристик равномерного потока в эйлеровых и лагранжевых координатах;

- разработка методики экспериментальных исследований потока на перепаде и определение его кинематических, динамических, энергетических и гидрометрических характеристик с применением разработанной измерительной системы и дополнительных устройств.

Методика исследований. Решение поставленных задач выполнялось теоретическими проработками и предварительными макетными экспериментами. Макет измерительной системы прошел стендовые и лабораторные испытания, по результатам которых разработана новая измерительная система ТИССА-2. Экспериментальные исследования проводились на безнапорной модели в лаборатории измерительных приборов ВНИИГиМ. Расчеты дифференциальных и интегральных характеристик исследованных потоков выполнены с применением онлайновой, полиномиальной и других видов интерполяции и сглаживания экспериментальных результатов. Достоверность полученных данных проверялась сравнением с известными результатами предшествующих авторов

и подтверждена проведенными метрологическими исследованиями.

Научная новизна работы. Получены следующие новые результаты.

Разработаны новые бесконтактные методы исследования кинематической структуры течений, обеспечивающие оперативное определение статистических характеристик турбулентности в эйлеровых и лагранже-вых координатах одновременно в широкой области потока.

Предложены методы измерений, проведен анализ метрологических характеристик и разработаны схемы бесконтактных измерителей трех компонент локальных скоростей и их пространственного распределения в исследуемой области потока светопоглощающей жидкости.

Создана автоматизированная измерительная система, реализующая новые методы измерений, алгоритмы и программы машинной обработки данных. Изучены теоретически и экспериментально метрологические характеристики разработанных методов и измерительной системы.

Получены статистические характеристики русловой турбулентности в эйлеровых координатах, а также корреляционные и спектральные функции пульсаций скорости в лагранжевой системе координат и диффузионные характеристики частиц нулевой гидравлической крупности в равномерном потоке.

Исследованы кинематические, динамические, вихревые, энергетические и гидрометрические характеристики резко неравномерного потока на входной части перепада в горизонтальном прямоугольном канале при разной шероховатости русла.

Установлена зависимость коэффициента расхода воды на перепаде от шероховатости русла и соотношения ширина-глубина канала.

Предложен и экспериментально обоснован критерий подобия гидрометрических характеристик резко неравномерных потоков на перепаде.

Разработана методика измерения конечной глубины на перепаде и

схема уровнемера, свободная от недостатков существующих устройств.

Новизна разработанных методов и средств измерений подтверждена 3-мя авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность. Выполненные автором исследования обеспечивают повышение точности, достоверности и быстроты экспериментальных исследований. Разработанные методы измерений могут служить базой для создания новых, еще более совершенных измерительных систем, в частности, для локальных и пространственных измерений трех компонент скорости потока. Эти методы применимы как для фундаментальных, так и прикладных исследований потоков жидкости и газа. Результаты исследований позволяют повысить точность измерения расхода воды на гидрометрических сооружениях методом конечной глубины.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на секциях гидротехники и гидравлики Ученого совета ВнИИГиМ; на 8-м таллинском совещании по электромагнитным расходомерам и электротехнике жидких проводников (Таллин, 1979 г.); на 20-м конгрессе МАГИ (Москва, 1983 г.).

Использование результатов исследований. Работа выполнялась по заданию ГКНТ и являлась основой при решении проблемы "Автоматизированные информационно-вычислительные системы для научных исследований отраслевого назначения на базе мини и микроЭВМ". После проведения метрологических испытаний предлагаемая методика исследований и измерительная система ТИССА-2 являлись основным рабочим инструментом при проведении гидравлических исследований в гидрометрической лаборатории ВНИИГиМ. Использование результатов автора позволили разработать новую технологию измерений на гидрометрических лотках (а.с. № 1651100) и были использованы для научного обоснования технических данных при разработке типового проекта № 820-101114.93 "Лотки трапецеидальные и комбинированные для измерения расходов воды 1-10 м3/с". Исследования полей скоростей в зоне сооруже-

ний с применением измерительной системы ТИССА-2, проведенные в отделе инженерной гидравлики ВНИИ ВОДГЕО, позволили улучшить конструктивные элементы для защиты от наносов на Сургутском водозаборе.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 115 наименований, 19 приложений. Содержит 131 машинописных страниц текста, 64 рисунка на 47 листах, 1 таблицу, приложения на 36 листах.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - ускорение;

В - ширина канала;

С - коэффициент Шези;

Dy - дисперсия частиц в направлении у;

Е - освещенность;

Еном - номинальная освещенность;

Ew Ек - удельная потенциальная и кинетическая энергия сечения; Fr- V Vgh - число Фруда; /- частота;

g - ускорение свободного падения;

gx, Gx - спектральная плотность, нормированная спектральная

плотность; Н - удельная энергия;

Н№ Hs - коэффициенты Лямэ, определяющие метрику обобщенной

координатной системы (л, s); h - глубина; hK - конечная глубина;

йдр - критическая глубина равномерного потока; hn= Ply- пьезометрическая высота; 1 - интенсивность света; i - уклон;

К - кривизна линии;

Кр - коэффициент гидростатичности, равный отношению площадей реальной и гидростатической эпюр давления; L - длина канала; Lu - размер изображения;

М(Х) - математическое ожидание случайной величины ЛГ;

МХгУ - центральный момент случайных величин X, Y; m = hK/hKp ;

N - число шагов квантования;

Nx - дискретная форма, цифровой код непрерывной величины Х\ п, s - оси обобщенной ортогональной системы координат (л -

нормаль, s - касательная к линии тока); Р - давление;

р(Х) - плотность вероятности случайной величины X; Q,q - расход, удельный расход, соответственно; R - радиус;

Rx y - коэффициент корреляции случайных величин X, Y; Кт), R(t) • корреляционная, нормированная корреляционная функции для параметра сдвига т, Reh- Vh/v - число Рейнольдса; Sx - выборочное среднеквадратичное значение; Г - период; t - время;

V - электрическое напряжение, амплитуда сигнала; Uocm - амплитуда остаточного сигнала во втором цикле считывания;

и - продольная пульсация скорости; V- скорость;

Vt - динамическая скорость;

v - вертикальная пульсация скорости;

W - гидравлическая крупность;

х, у, z- оси декартовой системы координат;

а,,а0 - коэффициент Кориолиса и Буссинеека, соответственно;

S - относительная погрешность;

у - удельный вес;

ух - приведенная погрешность величины X;

ех = Бх/х - нормированная стандартная ошибка случайной

величины ЛГ; бу - коэффициент диффузии в направлении^;

0- угол;

/л - коэффициент поглощения света; V- кинематическая вязкость; р - плотность;

ах - теоретическое среднеквадратичное значение; т- временной сдвиг;

та - касательное напряжение трения на стенке; у/- отношение сигнал-шум.

1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ НЕРАВНОМЕРНОГО ПОТОКА НА ПЕРЕПАДЕ

1.1. Сравнительный анализ бесконтактных оптических методов лабораторных исследований кинематической структуры турбулентных потоков

Наиболее перспективными для лабораторных исследований кинематической структуры водных потоков с точки зрения точности, отсутствия возмущающего влияния на структуру течения, количества и качества результатов являются оптические методы. Они основаны на оптической регистрации движущихся вместе с потоком различных меток. Используются как естественно существующие частицы примесей [55] или пузырьки воздуха [95], так и искусственно создаваемые физические или химические аномалии (солевые метки, пузырьки водорода и другие [52]).

Старейшим из этих методов, использованным еще в 1883 г. О. Рей-нольдсом, является метод введения краски [44]. Кроме линий тока он позволяет оценить распределение скоростей в потоке [3]. Его современные аналоги - люминесцентно-фотолизные методы обладают большей наглядностью и информативностью, но требуют применения дорогостоящих фотохромных жидкостей.

Начало детальному лабораторному исследованию структуры водных потоков положено работами Фейджа и Тауненда [55]. Разработанный ими ультрамикроскоп - оптическая система с вращающимися объективами обеспечивал визуальное наблюдение движущихся в потоке частиц и регулировку частоты вращения с целью согласования скорости частиц с линейной скоростью оптической системы в плоскости изображения. Кроме осредненных скоростей это устройство обеспечивало измерение амплитуды пульсаций. Недостатками метода являются большая

инерционность, низкая точность и субъективный характер оценки результатов. Замена механических элементов фоторазверткой изображения в исследуемой точке повысила достоверность результатов и обеспечила измерение частоты пульсаций [108].

Дальнейшее повышение точности и достоверности точечных измерений достигнуто применением фотоэлектрической регистрации рассеянного на движущихся в потоке микрочастицах лазерного излучения. Наиболее распространенным и разработанным является метод, основанный на эффекте Допплера [45]. Известны 2-х и 3-х компонентные анемометры, а также способы определения двухточечных турбулентных характеристик с помощью одноканального измерителя [46]. Допплеровские лазерные анемометры обеспечивают измерение средних скоростей с погрешностью « 1% и пульсаций - 2-3% .

Другим направлением развития лазерных фотоэлектрических методов являются разработанные А.М.Троханом кинематические методы, основанные на статистическом анализе фотоэлектрических сигналов от 2-х или нескольких точек потока [53]. Времяпролетный метод основан на статистическом анализе времен пролета метками известной базы. Диапазон измерений зависит от чувствительности фотоприемника и достигает сотен метров секунду. Погрешность измерения средней скорости равна 1%, а ее пульсаций - 10% [1]. Корреляционный метод основан на корреляционном анализе фотоэлектрических сигналов от двух точек потока. В отличие от времяпролетного он не ограничивает концентрацию меток. В качестве меток могут использоваться оптические неоднородности непрерывного характера. Этот метод обеспечивает нахождение спектра пульсаций скорости [11]. Родственный выше описанным спектральный метод основан на частотном анализе сигналов от нескольких точек потока [28,53]. Вместо когерентного может использоваться электродуговой источник света [79].

Несмотря на очевидные достоинства описанных фотоэлектриче-

ских анемометров в части точности и пространственной разрешающей способности, они непригодны для детальных исследований одновременно в широкой области потока. Частичное решение этой проблемы достигается перемещением, проецируемой на фотоэлектрический преобразователь (далее ФЭП) точки вдоль исследуемого канала [85]. Ввиду исключительной сложности оборудования и возможно