Динамика вязких циркуляционных течений в трубах и поверхностных воронках

На правах рукописи

Зуйков Андрей Львович

ДИНАМИКА ВЯЗКИХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ТЕЧЕНИЙ

В ТРУБАХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОРОНКАХ

Специальность 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Официальные оппоненты:

• доктор технических наук, профессор Войнич-Сяноженцкий Т.Г.;
• доктор технических наук, профессор Животовский Б.А.;
• доктор технических наук, профессор Штеренлихт Д.В.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт

энергетических сооружений» (ОАО «НИИЭС»).

Защита диссертации состоится 19 мая 2009 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.138.03 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Спартаковская ул., дом 2/1, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО МГСУ.

Автореферат разослан «___» ____________________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Г.В. Орехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа посвящена исследованию циркуляционных течений в трубах и поверхностных воронках. Под циркуляционным понимается течение, характеризуемое циркуляцией () тангенциальной составляющей скорости среды () по концентрическому замкнутому контуру (). Рассматриваются ламинарное течение реальной жидкости, обладающей молекулярной вязкостью (), и турбулентное течение эффективно вязкой жидкости, где виртуальная (турбулентная) вязкость () является свойством потока.

Циркуляционные течения газа и жидкости широко распространены в природе - это смерчи, тайфуны, циклоны, воронки на поверхности жидкостей при их сливе через глубинные отверстия, вихри за обтекаемыми объектами, в том числе за крыльями летательных аппаратов. Не менее широко эти течения используются в современной технике в устройствах для распыливания жидкого топлива, перемешивания и диспергирования жидкостей, формирования аэрозолей, классификации дисперсных материалов, аэрации и деаэрации, охлаждения и нагревания, ректификации рабочих жидкостей, пылезолоулавливания, разделения суспензий, гашения механической энергии потока и достижения многих других технологических целей. Распространенность и многообразие циркуляционных течений определяют актуальность тематик, связанных с их исследованиями.

Исследованию циркуляционных течений посвящены работы многих выдающихся ученых - И. Громеки, Г.Н. Абрамовича, М.А. Гольдштика, А.А. Халатова, H.A. Einstein, А.К. Gupta, O. Kitoh и других. Применительно к гидротехнике исследованием этих течений занимались М.В. Потапов, О.Ф. Васильев, А.Д. Альтшуль, А.П. Мордасов, Б.А. Животовский, В.В. Волшаник.

Цель работы - повышение эффективности устройств и надежности сооружений, работающих в условиях пропуска циркуляционных течений, путем разработки усовершенствованных методов их гидравлического расчета.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ информации по математическому моделированию и физическим исследованиям вязких циркуляционных течений.
2. Построение математических моделей вязких циркуляционных течений в трубах и поверхностных воронках и их верификация.
3. Разработка основ методов управления турбулентностью вязких циркуляционных течений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выполнен ретроспективный аналитический обзор прикладной механики циркуляционных течений, на базе которого сформулированы их основные особенности, показана эволюция моделей их расчета.
2. Разработана математическая модель вязкого циркуляционно-продоль-ного течения в цилиндрической трубе за локальным завихрителем. Модель позволяет проследить динамику течения по длине трубы, описать радиально-аксиальное распределение его структурных характеристик. Модель допускает описание ламинарных и турбулентных течений с различной степенью начальной закрутки в трубах, расположенных под произвольным углом наклона к горизонту; нормирование уравнений движения по числам Рейнольдса, Эйлера и Фруда позволяет использовать полученные решения для расчета потоков в широкой полосе изменения их линейных размеров и скоростей движения.
3. Разработана математическая модель вязкого циркуляционного течения в поверхностной вихревой воронке над донным или боковым глубинным водозабором гидротехнического сооружения. Модель позволяет рассчитать радиально-вертикальные распределения компонент скорости, функции тока и потенциала, построить гидродинамическую сетку течения и профиль свободной поверхности воронки, определить условия ее прорыва в напорный водовод.
4. Разработаны основы метода управления турбулентностью вязких циркуляционных течений структурированием поля трансверсальных скоростей.
5. Проведена верификация разработанных моделей расчета вязких циркуляционных течений и метода моделирования их свойств на основе экспериментальных данных, в том числе полученных автором с использованием прецизионной измерительной техники - лазерных доплеровских измерителей скорости и термоанемометрической аппаратуры.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается их внутренней согласованностью, соответствием установленным теоретическим и экспериментальным фактам, использованием апробированных теоретических положений, методов решения систем дифференциальных уравнений параболического и эллиптического типа, прецизионных средств измерений и обработки эмпирической информации, исключающих человеческий фактор, современных методик проведения гидравлических исследований.

Практическая значимость и ценность работы заключается в разработке и верификации универсальных методов расчета гидродинамики циркуляционных течений, необходимых для создания высокоэффективных и надежных устройств и сооружений, используемых в энергетике, авиационной и ракетно-космической технике, атомной, химической и других отраслях промышленности, где целесообразно применение закрученных потоков жидкости и газа или где циркуляционные течения являются неотъемлемой природной составляющей.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований вихревых и контрвихревых гидротехнических водосбросных сооружений использованы:

- институтом «Гидропроект» (ныне филиал «Инженерного центра ЕЭС») и его отделениями в Ленинграде («Ленгидропроект») и Ташкенте («Средаз-гидропроект»), НИСом института «Гидропроект» (ныне ОАО НИИЭС), ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева при проектировании водосбросов Рогунского, Колымского, Тельмамского гидроузлов, Сарезской гидроэлектростанции, ГЭС Тери в Индии (вихревой водосброс сдан в эксплуатацию в 2005 г.);

- при разработке методик гидравлического расчета вихревых водосбросов в справочном пособии «Гидравлические расчеты водосбросных гидротехничес-ких сооружений», М., Энергоатомиздат, 1988;

- в учебном пособии для вузов «Гидравлический расчет гидротехнических соо-ружений с закруткой потока», М., МИСИ, 1992.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, конструкторских разработок и проектов контрвихревых аэраторов использованы:

- институтами ВНИИбиотехника, ВНИИсинтезбелок, ИркутскНИИбиотехника при совершенствовании конструкций ферментационных установок микробиологической промышленности;

- Роскомводом при создании контрвихревого аэратора на донном водовыпуске плотины на р. Суме в Ленинградской области и на р. Разумная Белгородской области; при создании опытно-промышленного образца плавучей аэрационной установки для Белгородского водохранилища; при разработке проекта гидроузла-аэратора на р. Клязьме в г. Щелково; при разработке «Руководства по проектированию и конструкторской документации вихревых аэраторов на донных водовыпусках плотин», Союзгипроводхоз, М., 1992;

- ПО «Сибволокно» при создании комплекса из трех плавучих аэрационных установок на пруде-накопителе биологических очистных сооружений; при создании четырех контрвихревых гомогенизаторов на колонных регенераторах серы; при разработке проекта струйно-вихревой аэрации первой ступени биологических очистных сооружений;

- Чебоксарским горисполкомом при разработке проекта плавучей аэрационной установки для городской акватории Чебоксарского водохранилища;

- совхозом «Пермский» при создании системы струйно-вихревой аэрации аэротенка биологических очистных сооружений свиноводческого комплекса; при проектировании схемы доочистки сточных вод;

- Камским целлюлозно-бумажным комбинатом при создании системы аэрации камер регенерации активного ила биологических очистных сооружений;

- Дирекцией Московского зоологического парка при создании системы струйно-вихревой аэрации и замкнутого водооборота Большого пруда;

- НЭКМ ВНИРО при создании системы аэрации рыбоводных лотков;

- ГУП «НТЦ Звезда-М» при поточном изготовлении установок водоподготовки питьевого водоснабжения.

Результаты разработки технологии подавления турбулентности в циркуляционном течении (технология «Око тайфуна») использованы ГУП «НТЦ Звезда-М» при создании гидроциклонных установок.

Результаты теоретических исследований вязких циркуляционных течений в вихревых поверхностных воронках использованы ОАО НИИЭС и филиалом «Инженерного центра ЕЭС» институтом «Гидропроект» при обосновании сооружений пускового комплекса Богучанской ГЭС.

Личное участие автора. В диссертации изложены результаты аналитических и экспериментальных исследований, выполненных автором на кафедре использования водной энергии Московского государственного строительного университета. Постановка и решение теоретических и экспериментальных задач, вошедших в диссертационную работу, а именно: разработка и верификация математических моделей вязких циркуляционных течений в трубах за локальными завихрителями и в поверхностных воронках, а также разработка основ методов управления турбулентностью в циркуляционных течениях, осуществлялись автором. Им же выполнен аналитический обзор современного состояния прикладной механики циркуляционных течений.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель вязкого циркуляционно-продольного течения в цилиндрической трубе за локальным завихрителем и ее верификация.
2. Анализ трансформации структуры циркуляционно-продольного течения по длине цилиндрического канала.
3. Математическая модель вязкого циркуляционного течения в поверхностной вихревой воронке и ее верификация.
4. Анализ условий прорыва поверхностной вихревой воронки в напорный водовод.
5. Методы управления турбулентностью вязких циркуляционных течений структурированием поля трансверсальных скоростей.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных конгрессах, симпозиумах, конференциях и семинарах: Республи-канской научно-технической конференции УИИВХ (Ровно, 1980), ХХ-м Конгрессе Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (Москва, 1983), Всесоюзном научно-техническом совещании «Методы иссле-дования и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений (ГВС-84) (Ленинград, 1984), Симпозиуме Международной ассоци-ации по гидравлическим исследованиям (Сендай, Япония, 1986), Х-й научной конференции Высшей Технической Школы г. Брно (Брно, ЧССР, 1989), 3-м Всесоюзном Семинаре «Методы гидравлических исследований» (Светлогорск, 1989), Всесоюзном научно-техническом совещании (МГ-89) (Ленинград, 1989), Симпозиуме Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (Белград, Югославия, 1990), 4-м научно-техническом совещания Гидропроекта (Москва, 1982), 8-м Всесоюзном научно-техническом совещании «Физическое и математическое моделирование гидравлических процессов при исследова-ниях крупных гидроузлов комплексного назначения» (Дивногорск, 1989), 2-м Международном симпозиуме по газообмену через водные поверхности (Миннеаполис, штат Миннесота, США, 1990), Международной научно-практи-ческой конференции-выставки «Строительство в XXI веке. Проблемы и перс-пективы» (Москва, 2002), Юбилейной научно-практической конференции Ассоциации научно-технических обществ корейцев стран СНГ «АНТОК СНГ - 10 лет» (Москва, 2001), Международном симпозиуме «Гидравлические и гидро-логические аспекты надежности и безопасности гидротехнических сооруже-ний» (Санкт-Петербург, 2002), Городской научно-практической конференции «Московские вузы - строительному комплексу Москвы для обеспечения устой-чивого развития города» (Москва, 2003), Научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (Санкт-Петербург, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, в том числе две монографии, 7 работ в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 15 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, основных выводов, библиографии, включающей 492 наименования, в том числе 142 зарубежных, и приложения. Она изложена на 335 страницах машинописного текста, включая 58 рисунков и 12 таблиц, приложение содержит 210 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается классификация вязких циркуляционных течений, перечислены области их применения, приводится общая характеристика работы.

В первой главе рассматривается установившееся вязкое циркуляционно-продольное течение в цилиндрической трубе закрученного на входе в нее потока несжимаемой жидкости. Такое течение имеет место за локальным завихрителем, расположенным на входе в канал, и является затухающим закрученным потоком. Характерные профили скоростей и векторные параметры структуры потока показаны на рис.1.

R v

u

Рис.1. Структура циркуляционно-продольного течения в трубе

Исследуется изменение структурных характеристик закрученного потока по радиусу и длине трубы от входного створа, где производится закрутка, до сечения, где течение с погашенной закруткой можно полагать осевым (неза­кру­ченным). Рассматривается как ламинарное, так и турбулентное циркуляционное течение, как сплошное, так и с разрывом сплошности в приосевой зоне в виде полого вихревого жгута круглого переменного по длине водовода сечения.

В общем случае гидродинамика вязких течений описывается уравнением

, (1)

включающим компоненты как молекулярных, так и турбулентных напряжений, где - молекулярная кинематическая вязкость и плотность жидкости, - давление, местная скорость и потенциал внешних массовых сил.

В основу исследования структуры закрученного потока положена теория турбулентного переноса завихренности Дж. Тейлора, согласно которой для цилиндрических координат в соответствии с (1) можно записать

, (2)

, (2’)

. (2”)

ибо

, ,

, (3),(3’),(3”)

где , , - компоненты вихря скорости

, , . (4),(4’),(4”)

и - компоненты скорости соответственно по . Штрихом здесь и далее обозначены пульсационные составляющие скоростей и вихря.

С учетом полученных С. Гольдштейном в развитии теории Дж. Тейлора выражений для пульсационных составляющих вектора вихря

, (5)

, (5’)

, (5”)

где - компоненты вектора турбулентного переноса,

и уравнений неразрывности

, , (6),(6’)

, , (7),(7’)

, (8)

система (2)-(2”) для установившегося течения () приводится к виду

, (9)

, (9’)

. (9”)

В записанной системе уравнений турбулентная среда рассматривается как эффективно вязкая жидкость с анизотропной вихревой вязкостью:

, , , (10),(10’),(10”)

и учтено слабое влияние слагаемых, содержащих , на динамику потока.

В уравнениях (9)-(9”) можно выделить слагаемые:

в (9): , (11)

в (9’): , (11’)

и в (9”): , (11”)

общие для ламинарного и турбулентного течений, ибо включают эффективную вязкость как аналог молекулярной ; а также слагаемые:

в (9): , (12)

в (9’): , (12’)

и в (9”): , (12”)

присущие только турбулентному режиму. Турбулентная среда обладает единственным отличием от ламинарной - ей присуща турбулентная диффузия. Поэтому слагаемые (12)-(12”) мы назвали диффузионными.

Для осесимметричных течений () система (9)-(9”) принимает вид

, (13)

, (13’)

. (13”)