Расчёт неразмывающих скоростей водного потока на высоте верхней границы пограничного слоя
Автор: Виноградов Алексей Юрьевич, Кадацкая Мария, Бирман Алексей Ромнович, Виноградова Татьяна, Обязов Виктор, Кацадзе Владимир Аркадьевич, Угрюмов Сергей Алексеевич, Бачериков Иван Викторович, Коваленко Тарас Викторович, Хвалев Сергей, Парфенов Евгений
Журнал: Resources and Technology @rt-petrsu
Статья в выпуске: 3 т.16, 2019 года.
Бесплатный доступ
Основным критерием устойчивости проектируемого водопропускного инженерного сооружения лесных дорог является условие непревышения допускаемой для принятого крепления русла неразмывающей скорости водного потока. В статье рассматриваются различные способы расчёта неразмывающих скоростей на высоте верхней границы пограничного слоя. Для упрощения ситуации расчёты проводятся для частного случая донных отложений, состоящих из однородных песков средней крупностью 1 мм при постоянной глубине потока 5 м. Рассматриваются ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости с точки зрения их весового вклада в процесс размыва донных отложений. Проведён анализ способов оценки коэффициента гидравлического трения, коэффициента турбулентной вязкости (турбулентного обмена). Проанализированы различные методы расчёта придонных скоростей в турбулентном и ламинарном режимах потока. В результате работы сформулированы следующие выводы: рассмотренные формулы для оценки коэффициентов гидравлического трения, турбулентной вязкости, а также касательного напряжения потока приводят к близким по своим значениям результатам, оценка ламинарной придонной скорости потока по рассмотренным методикам приводит к близким результатам, значение турбулентной составляющей придонной скорости при принятой средней неразмывающей скорости V = 0,5 м/с, полученное различными методами, колеблется в пределах 0,08-0,09 м/с. При этом толщина пограничного слоя уменьшается с увеличением скорости потока и находится ниже высоты выступов шероховатости для рассматриваемого случая уже при средней скорости течения потока 0,15 м/с. При глубине, равной границе пограничного слоя, турбулентная и ламинарная составляющие придонной скорости сравнимы, что объясняется близостью численных значений коэффициентов динамической и турбулентной вязкости на рассматриваемой глубине.
Неразмывающая скорость, ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости, касательное напряжение
Короткий адрес: https://sciup.org/147225675
IDR: 147225675 | УДК: 630*161+627.8 | DOI: 10.15393/j2.art.2019.4782
Calculation of non-eroding water flow velocities at the height of the upper boundary layer
The main criterion for the stability of a designed culvert engineering construction of forest roads is non-exceedance of the non-eroding water flow velocity permissible for a channel floor. The article discusses various methods of calculating non-eroding water flow velocity at the height of the upper boundary layer. For simplicity, calculations are carried out for a particular case of bottom sediments, consisting of homogeneous sand with 1 mm average particle size at a constant flow depth of 5 m. The laminar and turbulent modes of fluid motion are considered in relation to their weight contribution to the erosion process of bottom sediments. Various methods for calculating bottom velocities in a turbulent and laminar flow mode are analyzed. The analysis results show that the considered formulas for estimating the hydraulic friction coefficients, turbulent viscosity coefficient, and tangential flow stress lead to similar results. Estimation of the laminar bottom flow velocity according to the considered approaches also leads to similar results. The values of the turbulent component of the near-bottom velocity at the adopted average non-eroding velocity V = 0.5 m/s, obtained by various methods, range from 0.08 to 0.09 m/s. Moreover, the thickness of the boundary layer decreases with the increasing flow velocity and is below the height of the surface asperity for the case under consideration at the average flow velocity of 0.15 m/s. At the depth equal to the height of boundary layer, the turbulent and laminar components of the bottom velocity are comparable due to the proximity of the numerical values of the dynamic and turbulent viscosity coefficients at this depth.
Список литературы Расчёт неразмывающих скоростей водного потока на высоте верхней границы пограничного слоя
- Виноградов А. Ю., Кацадзе В. А., Угрюмов С. А., Бирман А. Р., Беленький Ю. И., Кадацкая М. М., Обязов В. А., Виноградова Т. А. Взаимодействие руслового потока с дном в пограничном слое // Все материалы: Энциклопедический справочник. 2019. № 11. С. 88.
- Advances in Water Resources Engineering editors: Chih Ted Yang, Lawrence K. Wang. Springer. 2015. 555 p. DOI: 10.1007/978-3-319-11023-3
- Гришанин К. В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 428 с.
- Свод правил СП 35.13330.2011 Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84 (п.5.27). М.: ОАО "ЦПП", 2011. 347 с.
- ВТР-П-25-80. Руководство по определению допускаемых неразмывающих скоростей водного потока для различных грунтов при расчёте каналов. М., 1981.
- СО 34.21.204-2005 Рекомендации по прогнозу трансформации русла в нижних бьефах гидроузлов (взамен П95-81ВНИИГ). СПб.: ОАО "ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева", 2006. 104 с.
- Островидов А. М., Кузнецов И. А. Таблицы для проектирования мостов. М.: Автотрансиздат, 1959. 536 с.
- Пособие к СНиП 2.05.03-84 Мосты и трубы по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки (ПМП-91). М., 1992. 172 с.
- Пособие по гидравлическим расчётам малых водопропускных сооружений / Под общ. ред. Г. Я. Волченкова. М.: Транспорт, 1992 409 с.
- Справочник по гидротехнике. М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1955. 858 с.
- Методические рекомендации по расчёту местного размыва у опор мостов. 2-е изд. М.: Союздорнии, 1988. 39 с.
- СП 32-102-95 Сооружение мостовых переходов и подтопляемых насыпей. Методы расчёта местных размывов. М.: Трансстрой, 1996. 79 с.
- Пуркин В. И., Холин А. С. Проектирование мостовых переходов: Учебное пособие. М.: МАДИ, 2014. 44 с.
- Кадацкая М. М., Виноградов А. Ю., Кацадзе В. А., Беленький Ю. И, Бачериков И. В., Хвалев С. В., Каляшов В. А. Анализ методов расчёта неразмывающей скорости при проектировании водопропускных и водоотводных сооружений лесного хозяйства // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2019. Вып. 227. С. 174-187.
- DOI: 10.21266/2079-4304.2019.227.174-187
- Мамедов А. Ш. Устойчивые сечения подводящих и отводящих русел водозаборных и водосбросных сооружений // Комплексное решение проблем использования водных и земельных ресурсов в регионе ВЕКЦА: Сборник научных трудов / Под ред. В. А. Духовного. Ташкент, 2010. С. 125-137.
- Барышников Н. Б. Динамика русловых процессов: Учебник. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2007. 314 с.
- Барышников Н. Б. Гидромеханический анализ турбулентного руслового потока: Учебное пособие. Л.: Изд-во ЛПИ, 1985. 83 с.
- Триандафилов А. Ф., Ефимова С. Г. Гидравлика и гидравлические машины: Учебное пособие. Сыктывкар: СЛИ, 2012. 212 с.
- Барышников Н. Б., Попов И. В. Динамика русловых потоков и русловые процессы: Учебное пособие. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 454 с.
- Лаптев А. Г., Фарахов Т. М. Математические модели и расчёт гидродинамических характеристик пограничного слоя // Научный журнал КубГАУ. 2012. № 82 (08). С. 1-35.
