19. Каковы единицы измерения масштабного коэффициента расхода воздуха?

20. Как определяется удельный расход на скоростных вертикалях и каковы его единицы измерения?

3. ГИДРАВЛИКА РЕЧНОГО ПОТОКА, СТЕСНЁННОГО МАЛЫМИ ВОДОПРОПУСКНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

Трасса автомоб льных дорог часто пересекает постоянные и временные водотоки. При стеснении бытового потока мостовым пе-

степени вых переходахобщегоугрожают устойчивости опор, подъездных насыпей и

регуляц онных сооружений.

Мостовой переход, стесняющий поток, приводит к увеличению

руслового расхода размеров русла. По этой причине под мостом

тоев (как правило в периоды половодий и высоких паводков) наблюдается местный размыв русла. Он объясняется особенностями обтекания опор, которые по терминологии, принятой в гидромеханике,

ток, что в сочетании с повышеннойДего турбулентностью способствует увеличению в районе опоры силового воздействия на частицы грунта у опоры.

относятся к категории «плохо обтекаемых тел». При обтекании таких тел водным потоком образуются зоны отрыва потока от тела с возвратными течениями в них, что приводит к увеличению турбулентности потока в районе опоры. Одновременно опора стесняет по-

Этим объясняется известный факт, свидетельствующий о том,

И

что первые подвижки грунта у опоры начинаются при скорости потока меньше той, которая соответствует началу движения того же грунта в русле вдали от опоры. Иными словами, неразмывающая скорость потока у опоры всегда меньше неразмывающей скорости потока в русле вдали от нее. Неразмывающей скоростью потока у опоры на-

зывается такая средняя скорость потока вдали от опоры, при которой у опоры наблюдаются первые подвижки частиц грунта («начало трогания частиц грунта»). Если средняя скорость течения вдали от опоры

28

превышает неразмывающую у опоры, начинается местный размыв русла непосредственно около опоры.

При дальнейшем увеличении скорости потока наступает такой момент, когда начинаются первые подвижки грунта в створе мостового перехода, между опорами моста. Неразмывающей скоростью по-

тока в створе мостового перехода называется такая средняя ско-

рость потока вдали от створа, при которой в створе наблюдаются первые подв жки част ц грунта.

уменьшаетсяреки.

стулат Белелюбского).

общего размыва в створе мостового перехода. Глубина размыва

Размыв прекращается после того, как площадь подмостового

сечения потока увел чивается настолько, что скорость течения под мостом становится равной русловой бытовой скорости (по-

глубина (потенциальнаяАэнергия потока), при которой скорость

Размыв продолжается до тех пор, пока не установится такая

уменьшится до неразмывающегоДзначения.

При скорости течения, превышающей размывающую, возникает массовое влечение донных наносов. Ввиду наличия подъемной силы частицы опрокидываются и катятся по дну. Под действием вихрей катящиеся частицы приподнимаются над дном и на некотором расстоянии движутся, не соприкасаясь Ис ним. При этом исчезает подъемная сила, вызывавшаяся несимметричным обтеканием частицы снизу и сверху, и под действием силы тяжести она снова возвращается на дно и катится по нему. Таким образом, частицы донных наносов на некоторой длине перемещаются как бы скачками. И в результате на плоском дне, покрытом несвязными частицами грунта, обязательно возникают неровности в форме вытянутых в продольном направлении валиков – скоплений частиц, так называемые рифели.

Как только такие неровности дна образовались, их размеры увеличиваются, потому что они уже сами способствуют неравномерности движения воды. На верховой стороне валиков, обращен-

29

ной против течения, движение ускоренное. На гребне выступа происходит срыв течения.

За низовым откосом образуется водяной валец с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной к направлению основного продольного течения. В результате на дне вдоль по течению фор- Смируются гряды, следующие друг за другом и имеющие пологий верховой откос, и крутой обрывистый низовой откос — подвалье

(рис. 10). и

бАРис. 10. Продольный разрез гряды:

Такие деформации дна руслаДхарактерны для участка за мостовым переходом.

1 – гребень гряды; 2 – подвалье гряды; 3 – валец; 4 – частицы, перемещающиеся с грядами; 5 – частицы, переходящие

3.1. Применение гидравлического моделирования при исследовании открытых потоков

во взвешенное состояние И

Моделированием называется исследование физических процессов на моделях. Различают моделирование физическое и математическое.

В случае физического моделирования модель воспроизводит изучаемое явление (оригинал, натуру) с сохранением его природы.

30

В основу физического моделирования гидравлических явлений положена теория подобия, которая предполагает геометрическое, кинематическое и динамическое подобие явлений.

Проектирование модели, динамически подобной действительному потоку, осложняется тем, что величины сил, скоростей, давления и других параметров обычно неизвестны для различных точек интересующей нас области, так как отыскивание этих величин и является целью создания модели и проведения на ней соответствующих измерений. Однако судить о динамическом подобии двух систем путём измерения и сравнения между собой сил, действующих на эти системы, практически неудобно и даже невозможно. Вместе с тем легко видеть, что соотношение сил, действующих в натуре и на модели, может быть установлено косвенно: по имеющимся соотношениям масштабов длины, скорости и плотности жидкости, т. е. по соотношению величин, легко поддающихся измерению.

31

Принимая такой косвенный метод оценки динамического подобия, пользуются так называемыми критериями динамического подобия, выражающими безразмерное соотношение соответствующих сил, действующих в потоке. Так, например:

– число Фруда (Fr – критерий гравитационного подобия) представляет собой меру отношения сил инерции к силам тяжести:

где – плотностьбАжидкости; p – гидростатическое давление.

Другие критерии, относящиеся к другим силам, дают возможность создавать на моделях динамическиДподобные натуре потоки и, исследуя их, получать интересующие зависимости для натуры.

При моделировании открытых потоков обычно используют критерий подобия Фруда. Учёт сил вязкости ограничивается сохранением на модели турбулентного режима в границах так называемой автомодельной области, т.е. области квадратичных потерьИэнергии. Однако в русловых исследованиях и это требование оказывается трудновыполнимым. При тех же линейных масштабах, которые осуществимы в современных лабораториях, глубины на модели, рассчитанной по Фруду, оказывается недостаточно для возникновения турбулентности. Модельный поток попадает в качественно иную, ламинарную область движения. Количественные изменения приводят к явным качественным изменениям, в корне нарушающим кинематическое и динамическое подобие. Чтобы избежать этих явных нарушений качественного подобия, практика модельных исследований допускает искажение моделей путём укрупнения вертикального масштаба по сравнению с

32

плановым. Этим достигается увеличение числа Рейнольдса и переход в автомодельную область.

Допустимость степени искажения определяется интуицией исследователя или обосновывается высказываниями авторитетных специалистов.

В русловом процессе деформации русла и строение скоростного поля представляют взаимосвязанное явление, удовлетворяющее требованию транспорт ровать заданное количество наносов заданного

этимельчённым антрац том, древесными опилками, проваренными в

лабораторной изготовления достаточногоАколичества заменителя и трудностями

как размываемого материала. Известны попытки заменить песок из-

масле, змельчённой гарью и даже измельчённым янтарём. Однако

широкого пр менен я они не получили, что связано с трудностями

подбора их свойств.

Значительно сложнее о стоит вопрос о заменителе воды. До настоящего времени такая замена осуществляется лишь на воздушных

Так в основу движущейся системыД"вода-наносы" были положены соответствующие методы, принятые при изучении распределения скоростей воздушного потока.

моделях.

В случае математического моделирования гидравлических систем исследование физических процессов осуществляется путём опытного изучения аналогичных явлений, имеющих иное физическое со-

держание, но описываемое теми же математическими уравнениями. И

Проанализируем механизм выведения наносов из состояния покоя. Характер движения взвешенных и донных наносов определяется

главным образом турбулентным режимом течения воды в реках. Вихри, постоянно зарождающиеся у дна, и непрерывная пульсация скоростей течения в толще водяного потока обеспечивают перенос частиц в виде взвеси на большие расстояния.

На частицу в момент её отрыва от дна действуют:

–сила тяжести G;

–подъёмная сила Pв;

33

– нормальноегидростатическое давление p (эпюра нарис.11, а);

– касательные напряжения τ и реакции R1, R2, R3 (рис. 11, б) в точках соприкосновения с соседними частицами.

За счёт силы лобового давления текущей воды, сил трения и недостатка давления на тыльной стороне частицы образуется горизон- Стальная сила P1. Результатом вертикального воздействия обтекающе-

го потока является подъёмная сила P2. Ввиду наличия подъёмной силы част цы опрок дываются и катятся по дну.

и бА Рис.11. Схема силового воздействияДпотока на лежащую на дне частицу:

а – нормальные и касательные напряжения на поверхности обтекаемой частицы; б – силы, действующие на лежащую на дне частицу

Под действием вихрей катящиеся частицыИприподнимаются над дном и на некотором расстоянии движутся, не соприкасаясь с ним. При этом исчезает подъёмная сила, вызванная несимметричным обтеканием частицы снизу и сверху, и под действием силы тяжести она снова возвращается на дно и катится по нему. Таким образом, частицы донных наносов на некоторой длине перемещаются как бы скачками.

Обратимся к теории ветровой эрозии. Традиционный подход к моделированию сил, действующих на частицу, основан на рассмотрении баланса сил, приложенных к единичной частице поверхностного слоя почвы и последующей экстраполяции результатов на все остальные частицы.

34

В теории принимается существенным действие только потока на частицу, влиянием же частиц на поток пренебрегают, т.к. масса частиц потока определенного объема составляет ничтожную часть в масштабах ветровой эрозии от массы воздуха рассматриваемого объема.

В направлении горизонтальной оси на частицу действует только сила лобового сопротивления. Эта сила придает частице ускорение в направлен данной оси. Поэтому согласно второму закону Ньютона

или

– с лабАМагнуса.

Сч тается, что с лы электрической природы не вносят существенного вклада в перемещение почвенных частиц ветром. А сила Магнуса, возникающая при вращательном движении частиц в потоке, оказалась недостаточной для подъема частиц вследствие сравнительно малой скорости их вращения. Поэтому российские ученые пренебрегают ею.

Главную роль играют подъемная сила и сила лобового давления. Подъемную силу связывают с возникновением различия в давлениях междуверхней и нижней поверхностями обтекаемой потоком частицы.

Сам собой напрашивается вывод: поведение частицы почвогрунта в подвижной воздушной среде идентично поведению частицы речных наносов.

Во многих источниках приводятся критериальные уравнения, которые практически не отличаются при исследовании водных потоков на аэродинамических моделях. Небольшие отличия объясняются, скорее всего, использованием в аэродинамических установках относительно гладких поверхностей.

35