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 |

Математическое моделирование деформаций дна в покрытых льдом нестационарных потоках

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МАСЛИКОВА Оксана Яковлевна

Математическое моделирование

деформаций дна в покрытых льдом нестационарных потоках

Специальность

05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА 2008

Работа выполнена в Институте водных проблем РАН

Научный руководитель – доктор технических наук,

ведущий научный сотрудник

Дебольская Елена Ивановна

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

Боровков Валерий Степанович

– кандидат технических наук Верхоглядов Андрей Александрович

Ведущая организация – ОАО "ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева"

Защита состоится «01» декабря 2008г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, аудитория 201.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19.

Автореферат разослан « 28 » октября 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент

кандидат технических наук И.М. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования определяется тем, что зимний режим рек и водохранилищ на территории России продолжается в ряде случаев больший период года. Возникающие при этом ледовые образования существенно изменяют условия течения воды и формирования рельефа аллювиальных русел. При образовании ледовых заторов и зажоров возникают зимние наводнения, которые в большинстве своем приводят к гораздо более тяжелым последствиям, чем весеннее половодье и осенние паводки, существенно изменяя процесс руслоформирования. Рельеф русла в нижних бьефах ГТС зависит от условий их эксплуатации, зимний режим которой значительно отличается от летнего. При этом отличия в сезонных деформациях русла могут быть вызваны не только изменением нагрузки на ГТС, но и изменением динамики потока в нижнем бьефе за счет наличия приплотинной полыньи и резким скачком гидравлического сопротивления на кромке ледяного покрова.

Значительные деформации русла, причем, как размывы, так и заиление в нижних бьефах могут привести к ухудшению работы ГТС, условий обитания биоты и стать дополнительным фактором формирования ледовых затруднений. Проведение натурных исследований гидродинамики потоков и процессов деформаций дна в условиях резкой нестационарности течений, свойственной нижним бьефам, и особенно в период формирования ледовых затруднений, практически невозможно. Лабораторное моделирование также связано со значительными трудностями из-за невозможности выполнения всех критериев подобия одновременно, что главным образом обусловлено разномасштабностью действующих сил и процессов. В связи с этим одним из эффективных способов изучения воздействия ледяного покрова на руслоформирование в нижних бьефах является математическое моделирование.

Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, позволяющих оценить влияние ледяного покрова на транспортирующую способность речных потоков и донные деформации в нижних бьефах ГТС и при формировании ледовых заторов.

Реализация поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

  1. Разработка численной модели, позволяющей объединить модели для расчёта распространения волны попусков в нижнем бьефе гидроузлов при наличии ледяного покрова и деформаций дна с учетом возможности возникновения ледовых заторов.
  2. Получение экспериментальных и натурных данных для тестирования модели.
  3. Оценка методов расчета расхода наносов, приемлемых для моделирования существенно нестационарных потоков в условиях, формирующихся во время образования заторов, при которых возникают разнонаправленные потоки, переносящие наносы.
  4. Выявление зависимостей деформаций дна в нижних бьефах гидроузлов в условиях ледовых затруднений от гидродинамических параметров потока, характеристик волны возмущения, ледяного покрова и грунта, слагающего ложе русла.
  5. Выявление роли донных форм в процессе формирования ледовых заторов.
  6. Разработка практических рекомендаций по предотвращению и уменьшению негативного влияния ледовых образований.

Материалы и методы исследования.

Для реализации поставленных задач использованы теоретические основы гидродинамики открытых и подледных потоков, гидрологии и теории русловых процессов. Исследование основано на применении математического моделирования открытых и подледных русловых потоков, формирования ледовых заторов и транспорта наносов.

Работа базируется на собственных программах, написанных на языке программирования Фортран с использованием современного графического интерфейса, а также на пакете MATLAB.

В качестве фактического материала были использованы данные лабораторных и натурных экспериментов, проведенных в гидравлической лаборатории Российского Университета Дружбы Народов и в экспедиционных исследованиях Института водных проблем Российской Академии Наук на р. Истре (Московская обл.)

Научная новизна. Впервые разработан комплекс математических моделей, позволяющих оценить влияние ледяного покрова на транспортирующую способность нестационарных потоков и особенности процесса деформации дна в нижних бьефах гидроузлов при наличии ледяного покрова и в условиях ледовых заторов.

Впервые предложены зависимости для параметризации максимальных размывов в нижних бьефах гидроузлов от величины попуска, его продолжительности, длины полыньи, коэффициента шероховатости дна и льда, размера частиц грунта, его пористости и плотности.

Практическая значимость. Разработанный комплекс моделей может быть использован для прогнозов возможных переформирований дна от воздействия работы гидроузлов и в условиях формирования ледовых заторов.

Зависимости, предложенные в работе, могут быть использованы для оценки возможных размывов в створе гидроузлов и у кромки ледяного покрова.

На основе полученных в работе результатов даются практические рекомендации по предотвращению и смягчению последствий ледовых затруднений.

Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, является следствием использования классических математических методов построения моделей, их численного и аналитического анализа; использования реальных данных по динамике внешних факторов; согласования численных экспериментов с натурными и лабораторными данными.

На защиту выносятся следующие положения:

Разработана численная модель деформаций дна в условиях нестационарности в открытых, подледных и частично покрытых льдом потоках, а также в условиях возникновения ледовых заторов, возникающих под воздействием волны попуска.

Модель позволяет одновременно рассчитывать динамику волны попуска, место и время возникновения возможных ледовых заторов, деформации дна.

С помощью модельных экспериментов показано, что наряду с возникновением размывов в створе гидроузла значительные размывы возникают и под кромкой ледяного покрова, величина которых в зависимости от входных параметров может превышать приплотинные.

На основе результатов численных экспериментов определены параметрические зависимости размывов в створе гидроузла и под кромкой ледяного покрова от характеристик руслового потока, гидрографа попуска, льда и грунта.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Все необходимые расчеты и оценки сделаны автором лично. Анализ и интерпретация полученных результатов проведены при непосредственном

участии автора.

Апробация работы. Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

  • Международная научная конференция "Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование, прогноз", Москва, 2003;
  • VI Гидрологический съезд, С.-Петербург, 2004
  • IV Научно-практическая конференция МЧС России «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций», Москва, 2004.
  • VI Конференция «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей», Москва, 2004
  • Всероссийская научная конференция «Новые и традиционные идеи в геоморфологии», МГУ им. Ломоносова, 2005.
  • 18th IAHR Ice Symposium, Japan, Sapporo 2006.
  • X Int. Symposium on River Sedimentation. «Effects of River Sediments and Channel Processes on Social, Economic and Environmental Safety». Russia,. Moscow, 2007
  • Всероссийская конференция «Ледовые и термические процессы на водных объектах России», Архангельск, 2007
  • Научная конференция «Россия в МПГ – первые результаты». Сочи, 2007
  • научная сессия «Географические и экологические аспекты гидрологии», Спб. Г.У., факультет географии и геоэкологии, март 2008
  • 19th IAHR International Symposium on Ice “Using New Technology to Understand Water-Ice Interaction” Vancouver, British Columbia, Canada, July 6 to 11, 2008
  • XIV Гляциологический симпозиум «Гляциология от международного геофизического года до международного полярного года», Иркутск, сентябрь 2008
  • Научная конференция «Вклад России в МПГ», Сочи, октябрь 2008

Публикации. Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в печатных работах, в том числе в тезисах, статьях в реферируемых журналах. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы, содержит 5 таблиц и 53 рисунка. Общий объем диссертации 142 страницы. Список литературы включает 91 наименование, из которых 41 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание глав работы.

В главе 1 дается аналитический обзор современных научных представлений о транспортирующей способности потока, транспорте наносов при неустановившемся движении жидкости, а также современное состояние изученности деформаций дна открытых и покрытых льдом русловых потоков. Приводятся сведения об изученности влияния ледяного покрова на формирование рельефа аллювиальных русел, даются описания возникновения заторов.

Глава 2 посвящена исследованию размыва дна при наличии покрытия на поверхности потока, проведенному в гидравлической лаборатории кафедры гидравлики РУДН.

Рабочий участок лотка (рис. 1) был выбран по результатам измерения распределения скоростей течения воды вдоль потока, как участок с равномерным режимом течения.

 хема экспериментальной установки -2

Рис. 1 Схема экспериментальной установки

1 – всасывающий трубопровод; 2 – водопроводный кран; 3 – термрметр; 4 – пенопластовый успокоитель; 5 – микроманометр; 6 – шпиценмасштаб; 7 – трубка Пито; 8 – песок; 9 – модель опоры моста; 10 – бортики для фиксации песка; 11 – деревянный успокоитель; 12 – успокоительно-струевыпрямляющая кассета; 13 – нагнетательный трубопровод; 14 – задвижка; 15 – центробежный насос

Для измерения скоростей использовалась трубка Пито.

Имитацией льда являлся плотный пенопласт длиной равной длине рабочего участка - 2м, шириной равной ширине гидравлического лотка 0,24м и толщиной 0,05м.

Во всех экспериментах использовался песок крупностью от 0,315 мм до 1,0 мм.

Расход воды в гидравлическом лотке выбирался таким образом, чтобы донные скорости были неразмывающими. После этого в лоток погружалась модель льда.

Измерения скоростей течения в различных вертикалях исследуемого участка, а также визуальные наблюдения за процессом переноса наносов при наличии имитации ледяного покрова позволили выявить основные закономерности размыва дна, а также верифицировать данные наблюдения с результатами, полученными при использовании программы FEMLAB (математического расширения пакета MATLAB).

Программа FEMLAB после введения входных данных – скоростей течений (измеренных в экспериментах) рассчитывает поле скоростей в каждой точке заданного геометрического объема. В результате оценивается геометрия дна и сравнивается с визуально наблюденными данными в процессе эксперимента.

В 3 главе описаны натурные исследования динамики уровней водной поверхности, скоростей течения и транспорта взвешенных и донных наносов в различные периоды попусков, в нижний бьеф Истринского гидроузла, включая зимний период, т.е. при наличии ледяного покрова, необходимых для верификации моделей неустановившегося потока в размываемом русле.

 хема расположения створов -3

Рис. 2 Схема расположения створов

Методика исследований заключается в предварительном определении характеристик течений при равномерном и установившемся режиме и последующем сравнении этих характеристик при неустановившемся и неравномерном режиме течений. Были проведены синхронизированные измерения уровней водной поверхности, скоростей течения, концентрации взвешенных наносов и отметок поверхности дна в трех створах по длине русла. При этом в зависимости от объема попуска расстояния между створами изменялись для оценки изменения скорости добегания волны попуска.

В нижнем бьефе Истринского гидроузла на расстоянии от 5 до15 км ниже плотины были разбиты 7 створов и один створ (№ 8) был оборудован в пункте Павловская Слобода ниже по течению, где расположен створ Федерального государственного управления «Мосводоканал» (рис. 2).

На каждом из указанных створов проводились измерения скоростей потока на вертикалях, расположенных на расстоянии 2 м друг от друга (7-15 вертикалей в зависимости от ширины русла). На створах №2, 4 и 6 измерялись колебания уровня воды. На всех створах проводился отбор проб грунта для гранулометрического анализа. Измерения проводились при попусках, которым соответствовали расходы воды 4, 6, 8, 9, 11, 13 и14 м3/с.

Измерения скоростей течения проводились гидрометрическими вертушками ИСП-1, F-581B и ГР-99. Колебания уровня определялись по отметкам на водомерных рейках. Отбор проб донного материала осуществлялся дночерпателем А. С. Орлова. Гранулометрический состав наносов определялся путем ситового анализа. Поперечные сечения на створах и их эволюция определялись путем эхолотирования. Распределение концентраций взвешенных наносов определялось с помощью наносонакопителей ИО РАН.

Основные результаты. По данным указанных выше измерений были рассчитаны средние величины основных гидравлических характеристик потока при различных объемах попусков для створов 1 и 6, по перепаду уровней водной поверхности, между которыми измерялись гидравлические уклоны.

4 глава посвящена разработке математической модели деформаций дна в подледном потоке. Моделирование транспорта наносов в подледных потоках пока слабо развито. Различия в транспорте наносов в открытых и подледных руслах могут быть вызваны прежде всего изменением общего сопротивления русла и отсутствием поступления наносов мелких фракций с водосбора. Здесь формирование поля взвешенных наносов происходит в основном только за счет донного материала русла.

Основные уравнения одномерной модели нестационарного подледного потока с деформируемым дном.

Основой одномерной модели транспорта наносов, как это принято в большинстве моделей для открытых потоков, для жидкой фазы служат уравнения Сен-Венана и неразрывности для расчета скоростей и отметок воды (в неконсервативной форме записи) или расходов (в консервативной форме) и уравнение неразрывности Экснера для твердой фазы.

В случае прямоугольного призматического канала без боковых притоков стандартная форма записи этих уравнений в консервативной форме будет иметь вид:

, (1)

, (2)

, (3)

где x и t координаты пространства и времени, g – ускорение силы тяжести, h – глубина воды в сечении, zb – отклонение поверхности дна, p – пористость донного материала, Q и Qs – расходы воды и наносов на единицу ширины соответственно, b –донное трение, выражаемое обычно через коэффициент шероховатости в форме Маннинга.

Расход наносов Qs складывается из расхода донных Qsb и взвешенных Qss наносов. Из всего многообразия зависимостей для записи расхода наносов Qs, в одном случае нами использовалась наиболее простая зависимость Энгелунда, не предусматривающая деление наносов на взвешенные и донные:

. (4)

В другом случае для расхода донных наносов возможно использовать формулу Мейера-Петера и Мюллера, полученную для однородного потока

, (5)

где с7 = 0.047, u* - динамическая скорость, , d – средний диаметр частиц, s – плотность частиц, – плотность воды.

Расход взвешенных наносов рассчитывался в виде

. (6)

Распределение концентрации взвешенных наносов с(z) принималось в виде зависимости [Graf W.H, McLean S.]

, (7)

где z – вертикальная координата, w – гидравлическая крупность наносов, – константа Кармана, а – толщина слоя, в котором осуществляется транспорт донных наносов, эквивалентная донной шероховатости. В этом слое концентрация наносов постоянна и равна .

Уравнение (1) для подледных потоков, отличается от случая открытых потоков записью члена b, вследствие того, что на верхней границе потока появляется дополнительное сопротивление и изменяется смоченный периметр поперечного сечения.

В качестве начальных условий нами принимается постоянство расхода по длине реки и во времени.



Pages:   || 2 |
 





 
© 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.