авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Динамика вязких циркуляционных течений в трубах и поверхностных воронках

-- [ Страница 1 ] --

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-49, (12)

в (9’): , (12’) и в (9”):, (12”) присущие только-50, (12’)

и в (9”): , (12”) присущие только турбулентному-51, (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”)



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.