Исследование турбулентного потока при грядовом режиме движения наносов
|
Введение 3
Глава 1. Теоретические сведения о турбулентном потоке 6
1.1 Основные сведения о турбулентном потоке 6
1.2 Теории и структуре турбулентного потока 7
1.2.1 Теория М. А. Великанова 7
1.2.2 Теория В. Н. Гончарова 9
1.2.3 Теория Н. Е. Кондратьева 12
1.2.4 Теория К. В. Гришанина 13
1.2.5 Теория А. В. Караушева 15
1.2.6 Теория Н. С. Знаменской 16
1.2.7 Теория В. М. Макавеева 17
1.2.8 Теория А. А. Таунсенда 19
1.2.9 Теория Т. Теодорсена 19
1.3 Заключающие положения о турбулентности потока 20
Глава 2. Теоретические сведения о донно-грядовом типе движения наносов 22
2.1 Основные сведения о донных грядах 22
2.2 Классификации донных гряд 24
2.2.1 Классификация В. Н. Гончарова 25
2.2.2 Классификация Дж. Кеннеди 28
2.2.3 Классификация Н. С. Знаменской 29
2.3 Заключительные положения о донных грядах 31
Глава 3. Экспериментальные исследования турбулентного потока при донно-грядовом типе движения наносов 32
3.1 Исследование в лабораторных условиях 33
3.1.1 Ход работы по лабораторному исследованию 33
3.1.2 Обработка результатов лабораторного исследования 37
3.2 Исследование в натурных условиях 39
3.2.1 Физико-географическое описание ручья Красный 40
3.2.2 Ход работы по натурному исследованию 41
3.2.3 Обработка результатов натурного исследования 43
Заключение 48
Список использованной литературы 50
Глава 1. Теоретические сведения о турбулентном потоке 6
1.1 Основные сведения о турбулентном потоке 6
1.2 Теории и структуре турбулентного потока 7
1.2.1 Теория М. А. Великанова 7
1.2.2 Теория В. Н. Гончарова 9
1.2.3 Теория Н. Е. Кондратьева 12
1.2.4 Теория К. В. Гришанина 13
1.2.5 Теория А. В. Караушева 15
1.2.6 Теория Н. С. Знаменской 16
1.2.7 Теория В. М. Макавеева 17
1.2.8 Теория А. А. Таунсенда 19
1.2.9 Теория Т. Теодорсена 19
1.3 Заключающие положения о турбулентности потока 20
Глава 2. Теоретические сведения о донно-грядовом типе движения наносов 22
2.1 Основные сведения о донных грядах 22
2.2 Классификации донных гряд 24
2.2.1 Классификация В. Н. Гончарова 25
2.2.2 Классификация Дж. Кеннеди 28
2.2.3 Классификация Н. С. Знаменской 29
2.3 Заключительные положения о донных грядах 31
Глава 3. Экспериментальные исследования турбулентного потока при донно-грядовом типе движения наносов 32
3.1 Исследование в лабораторных условиях 33
3.1.1 Ход работы по лабораторному исследованию 33
3.1.2 Обработка результатов лабораторного исследования 37
3.2 Исследование в натурных условиях 39
3.2.1 Физико-географическое описание ручья Красный 40
3.2.2 Ход работы по натурному исследованию 41
3.2.3 Обработка результатов натурного исследования 43
Заключение 48
Список использованной литературы 50
Как нам известно из курса гидрологии, движение потока жидкости подразделяется на две основополагающие разновидности: ламинарный и турбулентный.
Ламинарный тип движения жидкостей характеризуется таким течением, когда их слои, либо струи производят движение без перемешивания слоев и каких-либо завихрений. При таком типе движения воды в потоке, ее слои либо струи идут почти параллельно друг другу. Такая разновидность течения крайне редко встречается в реальных природных условиях, можно сказать, что не встречается вовсе.
Еще одним типом движения жидкостей является турбулентное. Такой разновидности течения характерно активное перемешивание разных ее слоев и струй. Зачастую такое явление возникает на границах двух сред: жидкой и твердой. Например, когда поток воды встречается с шероховатостью его дна и всякими возможными препятствиями. Но не только лишь эти факторы влияют на его образование. Такой вывод можно сделать исходя из тех соображений, что подавляющее большинство водотоков обладают таким режимом, независимо от характеристик гладкости стенок, глубины, ширины и так далее.
Вопрос о механизмах образования и протекания процесса турбулентности жидкостей начал активно интересовать многих исследователей еще несколько сотен лет назад. Золотой эрой по части изучения вопросов турбулентности стал период с 1920 г. по 1970 г. В это время был произведен наибольший прогресс в понимании характеристик турбулентного течения и выдвинуто огромное количество теорий, как от отечественных, так и от зарубежных исследователей
На сегодняшний день, данное явление имеет уже достаточно плотную изученность. Но, то огромное количество теорий, что было выдвинуто за время исследований, так и не смогли сомкнуться на том, чтобы прийти к какому-то общему мнению и трактованию вопроса о механизме турбулентности потока жидкости. Все вышесказанное наводит нас на понимание того, что вопрос еще неокончательно изучен, и в ближайшем будущем требует разработок все новых теорий и попыток экспериментов для того, чтобы более глубоко разобраться в этом вопросе и прийти к единому мнению о механизмах данного процесса.
Помимо темы турбулентности потоков жидкостей в данной работе будет подниматься вопрос о донном рельефе и его разновидностях, что, в свою очередь, является следствием из турбулентных явлений в потоке.
Одной из разновидностей рельефа руслового дна являются донные гряды. Которые, в свою очередь, также являются следствием контакта жидкой и твердой сред, и процесса движения турбулентных завихрений в потоке жидкости.
Исследование данного явления приходилось примерно на те же временные промежутки, что и исследования турбулентного потока. Нередко такие исследования проводились теми же самыми людьми, так как и один и второй вопрос являются смежными между собой.
Если обобщить все изученные материалы, и обдумывая вопрос изученности вопроса о донных грядах, можно прийти к тому же самому выводу, как и с турбулентным потоком, что вопрос имеет достаточно большую изученность, но по сей день множество из существующих теорий не могут нас привести к какому-то единому пониманию механизмов образования и течения данного процесса.
Целью же этой научной работы является нахождение, изучение и анализ взаимосвязи между грядовой формой дна русла и характеристиками турбулентного течения в нем. А в частности, нас интересует чуть более узкий вопрос о том, каким образом изменяется характеристика интенсивности турбулентных явлений в потоке относительно его наблюдения в различных характерных зонах донных гряд.
С целью изучения данного вопроса, мною был произведен ряд лабораторных и натурных исследований. С методиками и результатами которых я вас ознакомлю ниже.
Ламинарный тип движения жидкостей характеризуется таким течением, когда их слои, либо струи производят движение без перемешивания слоев и каких-либо завихрений. При таком типе движения воды в потоке, ее слои либо струи идут почти параллельно друг другу. Такая разновидность течения крайне редко встречается в реальных природных условиях, можно сказать, что не встречается вовсе.
Еще одним типом движения жидкостей является турбулентное. Такой разновидности течения характерно активное перемешивание разных ее слоев и струй. Зачастую такое явление возникает на границах двух сред: жидкой и твердой. Например, когда поток воды встречается с шероховатостью его дна и всякими возможными препятствиями. Но не только лишь эти факторы влияют на его образование. Такой вывод можно сделать исходя из тех соображений, что подавляющее большинство водотоков обладают таким режимом, независимо от характеристик гладкости стенок, глубины, ширины и так далее.
Вопрос о механизмах образования и протекания процесса турбулентности жидкостей начал активно интересовать многих исследователей еще несколько сотен лет назад. Золотой эрой по части изучения вопросов турбулентности стал период с 1920 г. по 1970 г. В это время был произведен наибольший прогресс в понимании характеристик турбулентного течения и выдвинуто огромное количество теорий, как от отечественных, так и от зарубежных исследователей
На сегодняшний день, данное явление имеет уже достаточно плотную изученность. Но, то огромное количество теорий, что было выдвинуто за время исследований, так и не смогли сомкнуться на том, чтобы прийти к какому-то общему мнению и трактованию вопроса о механизме турбулентности потока жидкости. Все вышесказанное наводит нас на понимание того, что вопрос еще неокончательно изучен, и в ближайшем будущем требует разработок все новых теорий и попыток экспериментов для того, чтобы более глубоко разобраться в этом вопросе и прийти к единому мнению о механизмах данного процесса.
Помимо темы турбулентности потоков жидкостей в данной работе будет подниматься вопрос о донном рельефе и его разновидностях, что, в свою очередь, является следствием из турбулентных явлений в потоке.
Одной из разновидностей рельефа руслового дна являются донные гряды. Которые, в свою очередь, также являются следствием контакта жидкой и твердой сред, и процесса движения турбулентных завихрений в потоке жидкости.
Исследование данного явления приходилось примерно на те же временные промежутки, что и исследования турбулентного потока. Нередко такие исследования проводились теми же самыми людьми, так как и один и второй вопрос являются смежными между собой.
Если обобщить все изученные материалы, и обдумывая вопрос изученности вопроса о донных грядах, можно прийти к тому же самому выводу, как и с турбулентным потоком, что вопрос имеет достаточно большую изученность, но по сей день множество из существующих теорий не могут нас привести к какому-то единому пониманию механизмов образования и течения данного процесса.
Целью же этой научной работы является нахождение, изучение и анализ взаимосвязи между грядовой формой дна русла и характеристиками турбулентного течения в нем. А в частности, нас интересует чуть более узкий вопрос о том, каким образом изменяется характеристика интенсивности турбулентных явлений в потоке относительно его наблюдения в различных характерных зонах донных гряд.
С целью изучения данного вопроса, мною был произведен ряд лабораторных и натурных исследований. С методиками и результатами которых я вас ознакомлю ниже.
Подводя итоги проделанной работы, могу с уверенностью сказать, что все поставленные цели и задачи были выполнены в полной мере.
После проведения ряда исследований, описанных выше, была выявлена четкая взаимосвязь между характерными зонами профилей донных гряд и характеристиками интенсивности турбулентности потока. Найденная взаимосвязь описывает следующее:
• В подвальях гряд наблюдаются наименьшие значения скоростей потока и наибольшие значения интенсивности турбулентности.
• На гребнях гряд наблюдаются наибольшие значения скоростей и наименьшие значения интенсивности турбулентности.
• На напорных склонах гряд наблюдаются значения скоростей, находящиеся в промежутке между максимальными на гребнях и минимальными в подвальях, но ближе по своему численному значению приближаются к скоростям на гребнях. А значения интенсивности турбулентности находятся в промежутке между максимальными в подвальях и минимальными на гребнях.
Результатами проделанных трудов я более чем доволен, потому что путем проб и ошибок, все-таки удалось найти требуемую взаимосвязь между всеми интересующими нас характеристиками, показать ее графически и доходчиво изложить все этапы по ее нахождению в данной работе.
На просторах всех из доступных источников информации мне не удалось найти хотя бы одно исследование, где бы описывалась связь между донно-грядовой формой русла и характеристиками интенсивности турбулентности потока. Поэтому данная работа является в своем роде уникальной, и может быть в дальнейшем использована для более глубокого понимания механизмов образования и протекания процессов донно-грядового типа движения наносов и турбулентности русловых потоков.
После проведения ряда исследований, описанных выше, была выявлена четкая взаимосвязь между характерными зонами профилей донных гряд и характеристиками интенсивности турбулентности потока. Найденная взаимосвязь описывает следующее:
• В подвальях гряд наблюдаются наименьшие значения скоростей потока и наибольшие значения интенсивности турбулентности.
• На гребнях гряд наблюдаются наибольшие значения скоростей и наименьшие значения интенсивности турбулентности.
• На напорных склонах гряд наблюдаются значения скоростей, находящиеся в промежутке между максимальными на гребнях и минимальными в подвальях, но ближе по своему численному значению приближаются к скоростям на гребнях. А значения интенсивности турбулентности находятся в промежутке между максимальными в подвальях и минимальными на гребнях.
Результатами проделанных трудов я более чем доволен, потому что путем проб и ошибок, все-таки удалось найти требуемую взаимосвязь между всеми интересующими нас характеристиками, показать ее графически и доходчиво изложить все этапы по ее нахождению в данной работе.
На просторах всех из доступных источников информации мне не удалось найти хотя бы одно исследование, где бы описывалась связь между донно-грядовой формой русла и характеристиками интенсивности турбулентности потока. Поэтому данная работа является в своем роде уникальной, и может быть в дальнейшем использована для более глубокого понимания механизмов образования и протекания процессов донно-грядового типа движения наносов и турбулентности русловых потоков.