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:     | 1 ||

Математическое моделирование деформаций дна в покрытых льдом нестационарных потоках

-- [ Страница 2 ] --

Основные результаты. Известно, что в приплотинном створе при проведении сбросов воды наблюдаются значительные размывы. Очевидно, что при достижении фронтом волны кромки ледяного покрова после прохождения приплотинной полыньи, резко изменяется сопротивление движению, что с необходимостью должно вызывать перестройку эпюры скорости, а, следовательно, и приводить к изменениям в процессе переноса донных и взвешенных наносов. Численные эксперименты по предложенной модели показали, что в отличие от потока с открытой поверхностью при прохождении волны возмущения в потоке, покрытом льдом, как на приплотинном участке, так и в створах, прилегающих к кромке ледяного покрова, наблюдаются размывы дна. Между этими участками наблюдается аккумуляция наносов, причем, чем больше длина полыньи, тем оно незначительнее. Это с очевидностью вытекает из сохранения общей массы переносимых потоком наносов. Расчеты были проведены для условной реки со средними характеристиками: ширина 500м, глубина 4 м, расход воды 1000 м3/с, уклон 0.00005, =0.02 с/м1/3, кромка льда расположена на расстоянии 1900 м от створа гидроузла, что соответствует, например, р. Свири. На рис. 3 приведены изменения отметок дна по длине реки начиная от створа гидроузла в начальных створах и створах, прилегающих к кромке льда при различных попусках. Сплошные линии соответствуют попуску, превышающему бытовой расход в k=4 раза, пунктирные – в k=3 раза и штрихпунктирные – в k=2 раза. Видно, что размыв у кромки даже несколько превышает размывы в створе гидроузла.

Было показано, что величина размывов зависит от величины попуска, его продолжительности, длины полыньи, коэффициента шероховатости льда, размера частиц грунта, его пористости и плотности. Для оценки вклада каждого из этих параметров, при прочих неизменных в каждом эксперименте последовательно изменялся только один из параметров.

Рис. 3 Изменения отметок дна по длине реки в начальных створах и створах, прилегающих к кромке льда при различных попусках

По данным численных экспериментов были получены зависимости величины максимального размыва в створе гидроузла, в створе кромки и их отношение от параметра попуска k, характеризующего превышение попуска над бытовым расходом. Было показано, что соотношение размера размыва у кромки и в створе гидроузла уменьшается с увеличением параметра попуска.

Были получены также характеристики размыва в зависимости от изменения отношения шероховатости льда к шероховатости дна, от размера полыньи и от размера частиц наносов. Очевидно, что с ростом шероховатости льда размывы у кромки увеличиваются, а у вблизи гидроузла уменьшаются.

Все полученные зависимости удалось описать в параметрическом виде.

Для открытого потока:

Для подледного потока:

;

;

,

где - глубина потока до производства попуска, h – глубина в створе гидроузла или у кромки при соответствующем размыве, =8·0, 0=10-6м2/с - вязкость воды при температуре 20С.

Влияние размеров частиц и начальной формы дна на его деформацию. В вышеупомянутых случаях и в условиях затора, были проведены численные эксперименты с различными размерами частиц. Очевидно, что благодаря отсутствию механизма взвешивания частиц, для потока с дном, сложенным материалом более крупного размера, преобладающим руслоформирующим процессом является размыв, хотя его интенсивность значительно ниже, чем для потоков с мелкими частицами. Особенно это характерно для случая образования затора.

Чтобы выяснить влияние первоначальной формы дна на его деформацию в результате воздействия нестационарности, были проведены численные эксперименты для потока с ровным дном и потока с донными формами, размеры которых задавались в виде синусоидальной зависимости: z=hrsin(x/lr), где hr – высота рифеля, lr – его длина.

Параметры потока были таковы: начальная глубина h0=7м, уклон дна i=3·10-4, параметры попуска: максимальное значение расхода попуска Qpop0=5Q0 и Qpop0=7Q0, Q0=7м2/с, время попуска 10 мин, толщина льда hi=2м. Оказалось, что в потоке, частично, покрытом льдом, даже при расходе попуска Qpop0=5Q0, не образующем затор в потоке с ровным дном, в случае с рифелями образовался затор и повлек за собой значительный размыв дна. Это позволило сделать вывод о том, что при прочих равных условиях наличие в потоке донных форм служит катализатором для формирования затора. Увеличение расхода попуска до Qpop0=7Q0 незначительно влияют на деформации дна. При этом во всех случаях первоначальные донные формы сглаживались, рифели исчезали.

Этот эффект может быть использован для регулирования возможного образования ледового затора в нижнем бьефе гидроузла небольшим попуском, позволяющим перестроить форму дна перед кромкой льда из грядовой в гладкую.

Деформации дна в условиях формирования затора. Необходимыми условиями образования заторов являются разрушение ледяного покрова и превышение скорости течения критического значения, при котором может происходить подныривание оторвавшейся льдины под неразрушенный ледяной покров. Критерии разрушения: при выполнении условия , происходит разрушение, где E и пр– модуль упругости и предел прочности льда на изгиб. Условие подныривания льдин принято: Uкрит, где i – плотность льда.

Численные эксперименты, выполненные с привлечением зависимости (4) показали, что после формирования затора, на всем предзаторном участке размыв дна достигает очень больших значений, особенно в первые моменты после его образования. Расчеты, выполненные с использованием зависимостей (5) - (9) для определения расхода наносов, дают результат, значительно отличающийся для деформаций в условиях образования затора. Характерно, что результат расчета деформаций дна и расходов воды для открытых потоков мало зависит от вида зависимости, используемой для расчета расхода наносов, в случае подледного потока расхождение становится больше, в случае же образования затора наблюдается существенное различие как в величинах деформаций, так и в расходах воды.

Существенное влияние оказывает уменьшение расхода взвешенных наносов в месте образования затора, что, в совокупности с тем, что ниже затора наносы переноситься не могут, по-видимому, и служит причиной аккумуляции наносов в верхней части предзаторного участка.

Сравнение результатов численных экспериментов с данными лабораторных наблюдений. Эксперименты показали, что при прочих равных условиях покрытие вызывает изменение в режиме переноса наносов, образовании донных форм и местных деформаций дна. В качестве основного фактора для тестирования модели было выбрано образование местного размыва у кромки покрытия при резком увеличении скорости во входном створе. При нагруженном покрытии процесс деформаций значительно интенсифицировался. На рис. 4 приведены кривые изменения отметок дна по длине на начальном участке и у кромки покрытия, которая располагалась на расстоянии 200 см от головы лотка. Кривые построены по данным расчетов, выполненных по модели при параметрах потока, соответствующих эксперименту. В численном эксперименте скорость образования и величина размыва (около 2 см) у кромки покрытия совпадали с наблюдаемыми при проведении эксперимента в лотке.

Сравнение результатов численных экспериментов с данными натурных исследований. Для тестирования модели деформаций дна были использованы данные натурных наблюдений на реке Истре при проведении попусков с гидроузла в период открытой воды.

 зменения отметок дна с расстоянием-22

Рис. 4 Изменения отметок дна с расстоянием на начальном участке и у кромки покрытия по данным модельных расчетов

Начальный расход до попуска 4 м3/с. Максимальный расход попуска 8 м3/с. Из измерений были известны глубины потока (поперечные сечения) и пьезометрический уклон (0.0005). Коэффициенты сопротивления рассчитывались по этим параметрам исходя из предположения, что поток – стационарен.

При наблюдениях в зимний период не удалось получить условий для тестировании модели из-за отсутствия ледяного покрова. В связи с этим аналогом изменения сопротивления при достижении потоком кромки ледяного покрова послужило изменение глубины потока на небольшом участке русла.

На рис. 5 представлено изменение профиля дна после 10 часового попуска. Сплошная кривая соответствует 4 м3/с, пунктирная - 8 м3/с. Символами отмечены положения створов проведения измерений. На рис. 6 те же кривые, полученные по результатам численных экспериментов. Характер изменения отметок дна совпадает, отличие в величине размыва в месте локального увеличения глубины связано возможно с тем, что исследуемый участок не был прямолинейным и поперечные сечения отличались от формы, задаваемой в модели. Следует отметить, что в данном расчете размер частиц грунта был принят равным 0.0002 м, хотя в общем распределении крупности, анализ которого был проведен в ходе измерений, их вклад был не определяющим, что так же, как и применение одномерной схемы повлияло на оценку абсолютных размывов в сторону увеличения.

 зменение профиля дна после 10-23

Рис. 5 Изменение профиля дна после 10 часового попуска в нижнем бьефе гидроэлектростанции Истринского гидроузла

 зменение профиля дна после 10-24

Рис. 6 Изменение профиля дна после 10 часового попуска (модельный расчет)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты настоящего исследования сводятся к следующему:

  1. Впервые 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.
  2. Проведенные лабораторные эксперименты и натурные наблюдения позволили протестировать модель и подтвердили важный практический результат: наряду с возникновением размывов в створе гидроузла значительные размывы возникают и под кромкой ледяного покрова, и их величина в зависимости от входных параметров может превышать приплотинные.
  3. Проведенные анализ и оценка методов расчета расхода наносов, приемлемых для моделирования существенно нестационарных потоков в условиях, формирующихся во время образования заторов, при которых возникают разнонаправленные потоки, позволил сделать важный вывод о том, что результат расчета деформаций дна для открытых потоков мало зависит от вида зависимости, используемой для расчета расхода наносов, в случае подледного потока расхождение становится больше, а в случае образования затора наблюдается существенное различие как в величинах деформаций, так и в расходах наносов.
  4. Установлено, что отношение величины текущего размыва дна к величине максимального размыва в момент окончания попуска в створе гидроузла от времени одна и та же, независимо от влияния параметров.
  5. На основе результатов математического моделирования впервые получены зависимости деформаций дна в нижних бьефах гидроузлов в условиях ледовых затруднений от гидродинамических параметров потока, характеристик волны возмущения, ледяного покрова и грунта, слагающего ложе русла. Параметризация зависимостей позволяет использовать их для практической оценки величин деформаций в приплотинных створах. Расчеты по предложенной модели и экспериментальные данные показали, что общий расход наносов в подледном потоке уменьшается при переходе к подледному режиму. В то же время доля донных наносов в общем расходе наносов увеличивается, а взвешенных уменьшается.
  6. Впервые показано, что наличие донных русловых форм (гряд) в подледном потоке повышает вероятность формирования заторных явлений по сравнению с «гладким» дном. Это позволяет дать рекомендации по смягчению заторных явлений первоначальным попуском в нижний бьеф гидроузла с целью обеспечения «гладкого» режима транспорта наносов.
  7. Направление дальнейших исследований видится в разработке двух- и трехмерных моделей взаимодействия неустановившегося течения с ледяным покровом в условиях деформируемого русла.

Список литературы составлен в алфавитном порядке, в ссылках указан номер работы в списке. Нумерация рисунков и формул подглавная (первая цифра определяет номер главы, вторая – номер ссылки).

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

  1. Дебольская Е.И. Оценка катастрофических последствий наводнений на основе математического моделирования [Текст] / Е.И. Дебольская, М.В. Дербенев, М.В. Исупова, И.С. Кузнецов, О.Я. Масликова // Труды международной научной конференции «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование, прогноз». – Москва, 2003. – С. 161-164.
  2. Дебольская Е.И. Численное моделирование ледовых заторов [Текст] / Е.И. Дебольская, М.В. Дербенев, О.Я. Масликова // Водные ресурсы. – 2004, – №5, Т. 31. – С. 533-539.
  3. Дебольская Е.И. Математическое моделирование динамики русла в покрытых льдом нестационарных потоках [Текст] / Е.И.Дебольская, О.Я.Масликова, Н.Н.Степанова // Труды VI Гидрологического съезда. – С.-Петербург, 2004. – Секция 5. – С. 49-50
  4. Дебольская Е.И. Прогнозирование последствий русловых деформаций, вызываемых катастрофическими зимними наводнениями [Текст] / Е.И. Дебольская, О.Я Масликова // Сборник материалов IV Научно-практической конференции МЧС России «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций». – Москва, 2004. – С.49-50
  5. Дебольская Е.И. Математическое моделирование динамики русла в покрытых льдом нестационарных потоках [Текст] / Е.И.Дебольская, О.Я.Масликова, Н.Н.Степанова // VI Конференция «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». – Москва, 2004. – С. 135-136
  6. Масликова О.Я. Применение системы конечноэлементных расчетов «FEMLAB» к задачам речной гидродинамики [Текст] / О.Я.Масликова // Тезисы докладов на VI Конференцию «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». – Москва, 2004. – С. 68-69
  7. Масликова О.Я Применение системы конечноэлементных расчетов FEMLAB к созданию математической модели процесса переформирования дна под воздействием нестационарного подледного потока в руслах [Текст] / О.Я.Масликова // Труды Всероссийской научной конференции «Новые и традиционные идеи в геоморфологии». – МГУ, 2005.
  8. Дебольская Е.И. Математическое моделирование деформаций дна в покрытых льдом нестационарных потоках [Текст] / Е.И. Дебольская, В.К. Дебольский, О.Я. Масликова // Водные ресурсы. – 2006. – № 1, Т. 33. – С. 29-38
  9. Debolskaya E.I. Mathematical modeling of bed deformations in ice-covered non-steady Proceedings [Text] / E.I Debolskaya., V.K. Debolsky, O.Ja. Maslikova // 18th IAHR Ice Symposium. – Sapporo, Japan, 2006.
  10. Дебольская Е.И. Математическое моделирование распространения загрязнений и деформаций дна в подледных потоках [Текст] / Е.И. Дебольская, В.К. Дебольский, М.В. Дербенев, О.Я. Масликова, А.В.Ермаков // Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных регионов». – Салехард, 2007.
  11. Debolskaya E.I. Mathematical Modelling of Bed Deformation in Ice-Covered Non-Steady-State Flows [Text] / E.I.Debolskaja, O.Ya.Maslikova // X Int. Symposium on River Sedimentation. «Effects of River Sediments and Channel Processes on Social, Economic and Environmental Safety». – Moscow, 2007. – vol. II. – P. 84-91
  12. Дебольская Е.И. Влияние ледяного покрова на динамику руслового потока [Текст] / Е.И. Дебольская, О.Я. Масликова, А.В. Ермаков // Труды Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России». – Архангельск, 2007. – С. 12-13
  13. Дебольская Е.И. Влияние ледяного покрова на динамику руслового потока [Текст] / Е.И. Дебольская, О.Я. Масликова, А.В. Ермаков // Труды научной конференции «Россия в МПГ – первые результаты». – Сочи, 2007. – С. 44
  14. Масликова О.Я. Математическое моделирование деформаций дна в неустановившихся подледных потоках [Текст] / О. Я. Масликова, Е. И. Дебольская // Научная сессия «Географические и экологические аспекты гидрологии». – Спб. Г.У., 2008. – С. 65
  15. Дебольская Е.И. Влияние ледяного покрова на деформации дна в нижних бьефах [Текст] / Е.И. Дебольская, В.К. Дебольский, О.Я. Масликова, А.В. Ермаков // Водные ресурсы. – 2008. – № 6, Т. 35. – С. 663-670
  16. Дебольская Е.И. Влияние ледового покрова на русловые и береговые процессы в нижнем бьефе гидроузлов, модель динамики русла под ледяным покровом [Текст] / Е.И. Дебольская, А. В. Котляков, О.Я. Масликова, С.А. Артемьев // Материалы гляциологических исследований. – В печати.
  17. Дебольская Е.И. Двухмерная модель русловых деформаций в условиях формирования ледовых заторов [Текст] / Е.И. Дебольская, В.К. Дебольский, О.Я. Масликова // Гидротехническое свтроительство. – В печати.
  18. Дебольская Е.И. Одномерная и двухмерная модели динамики русла в нижних бьефах ГТС в условиях формирования ледовых заторов [Текст] / Е.И. Дебольская, А. В. Котляков, О.Я. Масликова, С.А. Артемьев // Материалы гляциологических исследований. – В печати.
  19. Дебольская Е.И. Двухмерная модель русловых деформаций в условиях формирования ледовых заторов [Текст] / Е.И. Дебольская, А. В. Котляков, О.Я. Масликова, С.А. Артемьев // Научная конференция «Вклад России в МПГ». – Сочи, 2008. – С. 32

Московский государственный университет

Природообустройства (МГУП)

Зак. № 226 Тираж 100



Pages:     | 1 ||
 





 
© 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.