автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Совершенствование методов гидравлического расчета характеристик течения и сопротивления в трубах

1. Современные представления о кинематической структуре потока и гидравлическом сопротивлении при турбулентном течении в трубах.

1.1 Степень изученности кинематики турбулентного течения в 6 гладких и шероховатых трубах.

1.2 Степень изученности закономерностей сопротивления при те- 17 чении в трубах.

1.3 Переходный режим сопротивления.

1.4 Традиционные представления и новые данные о течении в вяз- 24 ком подслое.

Выводы и задачи дальнейших исследований.

2. Методические основы экспериментальных исследований характеристик течения и гидравлического сопротивления труб.

2.1 Особенности методики и техники исследований характеристик 32 течения и сопротивления в трубах.

2.2 Плоскость отсчета поперечной координаты при измерении ме- 36 стной скорости в потоке.

2.3 Методика и техника выполненных измерений, характеристик 43 течения и сопротивления в воздушно-напорном канале.

2.4 Оценка точности измерений в воздушно-напорном канале.

3. Уточнение закономерностей течения и сопротивления в трубах при гладком и шероховатом режимах сопротивления.

3.1 Взаимосвязь между параметром Кармана и «второй констан- 52 той» профиля скорости.

3.2 Анализ параметров профиля скорости и закономерностей со- 59 противления при гладком и шероховатом режимах.

3.3 Изменение параметров логарифмического профиля скорости по поперечному сечению потока в гладких трубах.

3.4 Изменение параметров логарифмического профиля скорости по 78 поперечному сечению потока в шероховатых трубах.

4. Уточнение закономерностей течения и сопротивления в переходном режиме.

4.1 Расчет нестационарного вязкого подслоя на гладкой граничной 84 поверхности.

4.2 Расчет профиля скорости при переходном режиме сопротивле- 89 ния с учетом нестационарности течения и изменяющейся толщины вязкого подслоя.

4.3 Уточненная физическая расчетная модель течения в вязком 99 подслое с учетом перемежаемости.

4.4 Расчет гидравлического сопротивления трубопровода с зерни- 103 стой шероховатостью в переходной области.

5. Примеры инженерных расчетов характеристик течения и сопротивления в трубах с использованием полученных зависимостей.

5.1 Порядок выполнения расчета распределения скоростей и гид- 109 равлического сопротивления в гладких трубах при параметрах профиля скорости, постоянных по поперечному сечению потока.

5.2 Порядок выполнения расчета распределения скоростей и гид- 115 равлического сопротивления при параметрах профиля скорости, изменяющихся по поперечному сечению потока.

5.3 Расчет гидравлического сопротивления и распределения скоро- 117 стей в переходной области.

Общие выводы по работе:

1. Установлена функциональная связь между параметрами логарифмического распределения скоростей в потоке для гладкой и квадратичной области гидравлического сопротивления трубопроводов, выявлено влияние коэффициента гидравлического сопротивления на эти параметры, предложены формулы, отображающие это влияние.

2. Получены зависимости для уточненного расчета распределения скоростей, учитывающие установленное изменение параметров логарифмического распределения скоростей по поперечному сечению потока и их зависимость от коэффициента гидравлического сопротивления, проверенные данными собственных экспериментов и согласующиеся с данными измерений других авторов.

3. Уточнена формула для расчета коэффициента гидравлического сопротивления для гидравлически гладких трубопроводов.

4. Предложена физическая модель перемежающегося пристеночного течения в трубопроводах с зернистой шероховатостью, на основе которой расчетом получено распределение скоростей в потоке для переходной области сопротивления и формула для расчета коэффициента гидравлического сопротивления, проверенные большим массивом экспериментальных данных.

5. Установлено, что полученные уточненные зависимости для распределения скоростей и гидравлического сопротивления позволяют значительно повысить точность прогнозирования кавитационной эрозии трубопроводов и интенсивности размыва каналов в зернистых грунтах.

6. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы, облегчающие практическое применение полученных зависимостей.

1. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М.: «Недра», 1970.

2. Альтшуль А.Д. О распределении скоростей при турбулентном движении жидкости в трубах. Гидротехническое строительство, №6, 1949.

3. Баренблатт Г.И. О движении взвешенных частиц в турбулентном потоке. «Прикладная математика и механика», АН СССР, т. 17, №3, 1953; т. 19, №1, 1955.

4. Бахметев Б.А. Механика турбулентного потока. М.: Госстройиздат, 1939.

5. Бахметев Б.А. Равномерное движение жидкости в каналах и трубах. КУБУЧ, 1931.

6. Богомолов А.И., Боровков B.C., Майрановский Ф.Г. Высокоскоростные потоки со свободной поверхностью. М.: Стройиздат, 1979.

7. Боровков B.C., Брянская Ю.В. Расчет сопротивления в переходной области с учетом перемежаемости течения в вязком подслое. М.: Гидротехническое строительство, №7, 2001 г.

8. Брянская Ю.В. Выбор плоскости отсчета при измерении распределения скоростей в шероховатых трубах и каналах. М.: Сб. работ молодых ученых факультета ГСС МГСУ, вып. 1, 2000 г.

9. Брянская Ю.В. Изменение параметров логарифмического профиля скорости по поперечному сечению потока в гладких трубах. М.: Сб. докладов НТК МГСУ за 2000/2001 гг., 2001 г.

10. Брянская Ю.В. Уточнение зависимостей Прандтля Никурадзе для течений в гладких и шероховатых трубах. Новосибирск: Известия ВУЗов. Строительство. №9, 1998 г.

11. Брянская Ю.В. Уточнение методов гидравлического расчета систем водоснабжения и водоотведения. М.: Материалы второй НПК молодых ученых, аспирантов, докторантов. МГСУ, 1999 г.

12. Брянская Ю.В. Уточнение профилей скорости в водных потоках для прогнозирования гидроэкологических процессов при строительстве.

13. М.: Материалы заочного научно-технического симпозиума. МГСУ, 1998 г.

14. Брянская Ю.В., Остякова А.В. К вопросу об идентичности закономерностей сопротивления и течения в трубах и широких каналах. М.: Межвузовский сборник научных трудов по гидротехническому и специальному строительству, МГСУ, 2002 г.

15. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие под ред. Векслера А.Б. М.: Энергоатомиздат, 1988.

16. Гиневский А.С., Федяевский К.К. Нестационарный турбулентный пограничный слой крылового профиля и тела вращения. Журнал технической физики, т. 29, №7, 1959.

17. Городцов В.А., Шандин B.C. О модельном описании пристеночной турбулентности в вязкой жидкости. Вестник Московского университета, №2, 1976.

18. Гришанин К.В. Распределение скоростей при турбулентном течении в гидравлически шероховатых трубах. Труды ЛИИВТ, вып. 26, 1962.

19. Гуржиенко Г.А. О влиянии вязкости жидкости на законы турбулентного движения в прямой цилиндрической трубе с гладкими стенками. Тр. ЦАГИ, вып. 303, 1936.

20. Железняков Г.В. Гидравлическое обоснование методов речной гидрометрии. М.: Изд-во АН СССР, 1950.23.3егжда А.П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах. М-Л.: Гос. изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1957.

21. Карман Т. Об устойчивости ламинарного потока и теория турбулентного движения. Сб. Проблемы турбулентности. M-JL: ОНТИ НКТП СССР, 1936.

22. Киселев П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости. М.: «Энергия», 1980.

23. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса. Доклады АН СССР, т. 30, №4, 1941.

24. Конт-Белло Ж. Турбулентное течение в канале с параллельными стенками. М.: «Мир», 1968.

25. Копыстянский О.С. К вопросу о параметре к в логарифмических формулах распределения скоростей для равномерных открытых потоков. Научные записки Львовского политехнического института. Серия теплоэнергетическая, №3, вып. LX. Львов: 1960.

26. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: 1970.

27. Львов С.А. Об изменении «константы Кармана» от различных факторов.

28. Лятхер В.М. Турбулентность в гидросооружениях. М.: «Энергия», 1968.

29. Миллионщиков М.Д. Турбулентные течения в пограничном слое и в трубах. М.: «Наука», 1969.

30. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М.: «Наука», 1965.

31. Назаров Т.И. Мощеные каналы. Изд-во АНКирг. ССР. Фрунзе: 1958.

32. Некрасов Б.Б. К вопросу о распределении скоростей в турбулентном потоке вблизи стенки. Сб. научно-методических статей по гидравлике, вып. 4 М.: «ВШ», 1981.

33. Никурадзе И. Закономерности турбулентного движения в гладких трубах. Сб. Проблемы турбулентности. М-Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1936.

34. Панов Н.Н. Поле скоростей и гидравлических сопротивлений открытых русел. Тр. III Всесоюзн. гидрологии, съезда, т. V. Л.: Гидрометео-издат, 1960.

35. Поляков А.Ф., Цыпулев Ю.В. Экспериментальное исследование осред-ненных значений и дисперсий скорости и температуры при турбулентном течении воздуха в плоском канале. РЖ «Механика», №7, 1979.

36. Прандтль J1. Результаты работ последнего времени по изучению турбулентности. Сб. Проблемы турбулентности. M-JL: ОНТИ НКТП СССР, 1936.

37. Рейнольде О. Динамическая теория движения несжимаемой вязкой жидкости и определение критерия. Сб. Проблемы турбулентности. МЛ.: ОНТИ НКТП СССР, 1936.

38. Рихтер Г. Гидравлика трубопроводов. М-Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1936.

39. Родионов И.А. Движение воды в открытых каналах с искусственной шероховатостью. Сб. «Гидротехника и гидромеханика». Киев: «Науко-ва Думка», 1964.

40. Ротта И.К. Турбулентный пограничный слой в несжимаемой жидкости. Л.: «Судостроение», 1967.

41. Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений. М.: Энергоатомиздат, 1986.

42. Тейлор К. О переносе вихрей и тепла при турбулентном движении жидкостей. Сб. Проблемы турбулентности. M-JL: ОНТИ НКТП СССР, 1936.

43. Тепакс JI.A. Равномерное турбулентное движение в трубах и каналах. Таллин: «Валгус», 1977.

44. Толмаза В.Ф. О распределении скоростей потока по вертикали. Сб. АН Кирг. ССР. Вопросы водного хозяйства, вып. 1. Фрунзе: 1964.

45. Фидман Б.А. О влиянии шероховатости стенок на структуру турбулентного потока. Изв. АН СССР, Серия географическая и геофизическая, т. 12, №3, 1948.

46. Фидман Б.А. Основные результаты экспериментального изучения структуры турбулентных потоков. Сб. «Проблемы русловых процессов», Основные материалы всесоюзного совещания по проблеме русловых процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1953.

47. Фидман Б.А. Результаты измерения турбулентности в равномерном и резко расширяющемся потоках. Изв. АН СССР, ОТН, №11, 1953.

48. Филоненко Т.К. Формула для коэффициента гидравлического сопротивления гладких труб. Изв. ВТИ, №10, 1948.

49. Хинце И.О. Турбулентность, ее механизм и теория. М.: Госиздат физико-математической литературы, 1963.

50. Шевелев Ф.А. Исследование основных гидравлических закономерностей турбулентного движения в трубах. М.: Госстройиздат, 1953.

51. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: «Наука», 1969.

52. Шубауэр Г. Турбулентные процессы, наблюдаемые в пограничном слое и трубе. Сб. пер. и обзоров «Механика», вып. 3 (31), 1955.

53. Bazin. Recherches hydrauliques. Comptes rendus de L'Academie de Sciences, 1865.

54. Blasius H. Das Aehnlichkeitsgesetz bei Reibungsvorgangen in Flussig^ keiten, Forsch.-Arb. Ing.-Wes., N131. Berlin: 1913.

55. Boussinesq J. Mem. pres. par div. savants a l'acad. sci. Paris, 1877.

56. Brainerd J.G., Emmons H.W. Temperature effects in a laminar compressible fluid boundary layer along a flat plate. J. Appl. Mech. 8, A 105, 1941; J. Appl.Mech. 9, 1, 1942.

57. Brodkey R.S., Carino E.R. A visual investigation of the wall region in turbulent flow. Journal of Fluid Mechanics, v. 37, N1, 1969.

58. Bulle H. Untersuchungen uber die Geschiebeableitung bei der Spaltung von Wasserlaufen. Berlin: 1926.

59. Calebrook and White. Proc. Royal Soc. Ser. A, N906, t. 161. London: 1937.

60. Clauser F.H. Advances in Appl. Mechanics, 4, 1, 1956.

61. Colebrook C.F. Turbulent flow in pipes with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws. J. Institution Civil Engineers, 1939.

62. Coles D. J. Fluid Mech., 1, 191, 1956.

63. Corrsin S., Kistler A.L., O'Brien V. Natl. Advisory Comm. Aeronaut. Research. Mem., RM 54D19, 1954.

64. Darcy. Recherches experimentales sur le movement de l'eau dans les tuyaux de conduite. Paris: 1858.

65. Einstein H.A., Li H. The viscous sublayer along a smooth boundary. ASCE, Journal Engineering Mechanica Division, v. 82, N2, 1956.

66. Ekman V.W. On the change from steady to turbulent motion of liquids. Ark. Mat., Astronom., Fys., 6, N12, 1910.

67. Esk B. Technishe Stromungslenre, 1978.

68. Hama F.R. Soc. Naval Architects marine Engrs. Trans., 62, 333, 1956.

69. Hanratty T.J. AIChE Journal, 2, 359, 1956.

70. Hoffmann E. Forsch. Gebiete Ingenieurw., 11 A, 159, 1940.

71. Hopf. Die Messung der hydraulischen Rauhigkeit. ZAMM, t. 3, 1923.

72. Hopf. Turbulenz bei einem Flusse. Annalen der Physik, 1910.

73. Jonsson I.G. On turbulence in open channel flow. Statistical theory applied to micropropeller measurements. Acta polytechnica Scandinavia, Civil Engineering and Build. Constr. Ser., N31. Copenhagen, 1965.

74. Klebanoff P.S. Characteristics of turbulence in a boundary layer with zero pressure gradient. Nat. Advis. Com. Aeronaut., Rep. N1247, 1955; Techn. Notes N3178, 1954.

75. Klebanoff P.S., Scubauer G.B. Investigation of separation of the turbulent boundary layer. NACA, Rep. 1030, 1951.

76. Laufer J. Some recent measurement in a two-dimensional turbulent channel. J. Aero. Sci., 17, N5, 1950.

77. Mattioli E. Ricerche the oriche exsperimentali sulla turbulenza di parete. Aerotecnica, 36, fasc. 2, 1956.

78. Mattioli E. Una formula universale per lo spectro della turbuleza dip arte. Atti della Academia delle scieze di Torino, 90, 1956.

79. Miles J.W. J. Aeronaut. Sci. 24, 704, 1957.

80. Millikan C.B. Proc. 5 th Intern. Congr. Appl. Mech., Cambridge, mass., p.386, 1938.

81. Mises R. Berechnung von Aufluss und uberfallzahlen. Zeitschrift des Ver-eines Deutsch. Ing., 61, N21, 1917.

82. Nikuradse I. Stromunggesetze in ruuhen Rohren Forschungheft (Forschung aufdem gebute des Ingenieurwesens). N361, p.1-22, 1933.

83. Nunner W. Warmeubergang Forschungsheft. N455, 1956.

84. Phelps E.B., Streeter H.W. A study of pollution and natural purification of the Ohio river. D.C. Public Health Bull. Washington: 1925.

85. Rajaratnam, Wu S. A simple method for measuring shear stress on rough boundaries. Journal of Hydraulic Research, Vol. 38, N5, p.399-400, 2002.

86. Reichardt H. Z. angew. Math, und Mesh., 20, 297, 1940.

87. Schmidt W. Der Massenaustaush in freier Luft und Verwandte Erscheinun-gen. Probleme der Kosmischen Physik, 1925, Bd 7.

88. Shamloo H., Rajaratnam N., Katopodis C. Hydraulics of simple habitat structures. Journal of hydraulic research, vol. 39, N4, 2001.

89. Streeter V.L. Steady flow in pipes and conduits. New York, 1950.

90. Tounsend A.A. Proc. Cambridge Phil. Soc., 47, 375, 1951.

91. Vanoni V.A. Transportation of suspended sediment by water, Trans. ASCE, III, 1946.

92. White C.M. The equilibrium of grains on the bed of a stream. Proc. Roy. Soc., Ser. 4, 1940, vol. 174, N958.L