Массообменные процессы при плавноизменяющемся движении в открытых руслах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат технических наук Ляпин, Антон Валерьевич

• Ляпин, Антон Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ляпин, Антон Валерьевич

Настоящая диссертация выполнялась в период с 2003 по 2006 гг., на кафедре гидравлики Московского государственного строительного университета. Экспериментальные исследования проводились в гидравлической лаборатории института.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю - заведующему кафедрой гидравлики профессору доктору технических наук В.С.Боровкову за помощь и поддержку на всех этапах работы над диссертацией.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление.

Основные словные обозначения.

Введение.

Глава 1. Учет распределения касательных напряжений по глубине открытого потока в оценках степени неравномерности течения.

Глава 2. Учет плавной изменяемости течения в расчетах диффузионного разбавления сточных вод.

Глава 3. Особенности размыва, переноса и осаждения мелкой взвеси в неравномерном плавноизменяющемся речном потоке.

3.1. Транспорт мелкой взвеси.

3.2. Осаждение мелкой взвеси.

3.3. Критические скорости размыва.

Глава 4. Экспериментальное обоснование возможности перехода от одномерных моделей русла к локальным распределениям гидродинамических величин.

4.1. Основные задачи экспериментальных исследований.

4.2. Экспериментальная установка.

4.3. Методика измерений.

4.4. Анализ опытных данных.

Глава 5. Использование полученных зависимостей в расчетах рассеивающих выпусков сточных вод.

5.1. Особенности работы выпусков сточных вод.

5.2. Основные этапы разбавления сточных вод в речном потоке.

5.3. Пример расчета.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Массообменные процессы при плавноизменяющемся движении в открытых руслах»

Актуальность выполненной работы определена необходимостью решения ряда перспективных задач, обусловленных интенсивной эксплуатацией водных объектов на урбанизированных территориях, и связанных с влиянием фактора неравномерности на массообменные процессы в открытых руслах, включающих диффузионное разбавление сточных вод, процессы размыва, транспорта и осаждения мелкой загрязненной взвеси.

Цель работы заключается в изучении влияния неравномерности течения на массообменные процессы в открытых руслах в условиях действия факторов урбанизации, разработке рекомендаций по учету неравномерности течения в расчетах диффузионного разбавления сточных вод и прогнозировании русловых процессов.

В число основных задач исследования были включены:

- разработка научно обоснованного количественного критерия оценки степени неравномерности течения для открытых потоков;

- анализ и обобщение экспериментальных и аналитических решений по диффузионному разбавлению сточных вод в водотоках;

- проведение аналитических исследований по выявлению характера и степени влияния неравномерности течения на коэффициенты кинематической турбулентной вязкости и турбулентной диффузии;

- разработка инженерной методики расчета разбавления сточных вод, учитывающей степень неравномерности течения воды в открытых водотоках;

- анализ и обобщение аналитических и экспериментальных данных по переносу и осаждению мелкой взвеси в плавноизменяющихся открытых потоках. Получение зависимостей для расчета профилей концентраций и средней концентрации мелкой взвеси, учитывающие степень неравномерности течения;

- исследование устойчивости к размыву русел, сложенных связными грунтами. Получение зависимостей для неразмывающей скорости для плавноизменяющихся потоков, учитывающих связность грунтов и степень неравномерности течения воды в открытых водотоках;

- изучение возможности переноса данных, полученных для плоских потоков на пространственные течения. Обоснование метода расчета локальных гидродинамических характеристик течения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Предложен количественный критерий, позволяющий разграничить области плавноизменяющихся и резкоизменяющихся неравномерных открытых потоков, основанный на особенностях распределения касательных напряжений в неравномерных потоках.

- Исследована зависимость коэффициентов турбулентной диффузии и турбулентного перемешивания от параметров, определяющих неравномерность течения в открытых руслах.

- Предложен метод расчета коэффициента турбулентной диффузии для неравновесных процессов разбавления сточных вод в плавноизменяющихся открытых потоках, учитывающий степень неравномерности течения, определяемую уклоном свободной поверхности.

- Получены зависимости для критических скоростей размыва связных грунтов, основанные на особенностях гидравлического трения при неравномерном плавноизменяющемся движении.

- Установлено влияние неравномерности течения на профили концентраций и среднюю концентрацию мелкой взвеси в неравномерных плавноизменяющихся открытых потоках. Предложены формулы для расчета профилей концентраций и средней концентрации мелкой взвеси в плавноизменяющихся потоках, учитывающие степень неравномерности течения.

- Выявлены особенности осаждения мелкой взвеси в неравномерных плавноизменяющихся открытых потоках. Получены зависимости для определения протяженности участков осаждения мелкой взвеси в открытых потоках, основанные на закономерностях гидравлического сопротивления плавноизменяющегося течения.

- Выявлена применимость универсального распределения скоростей на нормалях к участкам периметра открытых русел с постоянной шероховатостью. Обоснован метод перехода от одномерных моделей русла к расчету локальных гидродинамических характеристик пространственного течения.

Личное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации, состоит: в разработке общего подхода к решению поставленных задач; в разработке методик проведенных исследований; в аналитической обработке полученных результатов, формулировке научных положений и выводов; в получении количественных данных и новых расчетно-аналитических зависимостей, характеризующих основные закономерности массообменных процессов в открытых плавноизменяющихся потоках.

Достоверность научных положений подтверждена применением апробированных расчетно-аналитических методов, взаимной согласованностью и непротиворечивостью полученных зависимостей, тщательной проверкой полученных расчетных результатов данными экспериментальных исследований разных авторов, в том числе и данными собственных измерений, выполненных с необходимой точностью.

На защиту выносятся: количественный критерий, позволяющий разграничить области плавноизменяющихся и резкоизменяющихся неравномерных открытых потоков; и формулы для коэффициентов турбулентного перемешивания и турбулентной диффузии, учитывающие степень неравномерности течения;

- зависимости для критических скоростей размыва связных грунтов, основанные на особенностях гидравлического трения при плавноизменяющемся движении;

- формулы для расчета профилей концентраций и средней концентрации мелкой взвеси в открытых плавноизменяющихся потоках;

- зависимости, определяющие длину участков осаждения мелкой взвеси в открытых плавноизменяющихся потоках, основанные на закономерностях гидравлического сопротивления при плавноизменяющемся течении;

- результаты экспериментальных исследований распределения скоростей на нормалях к участкам периметра открытых русел с одинаковой шероховатостью;

- результаты использования полученных зависимостей в практических расчетах рассеивающего выпуска сточных вод.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Вторая международная (VII традиционная) научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов. - Москва, МГСУ,

2004.

- Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии».- Белгород, БГТУ им. В.Г.Шухова, 2005.

- Третья международная (VIII традиционная) научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов. - Москва, МГСУ,

2005.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты проведенных исследований могут быть использованы при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений, при эксплуатации водных объектов. В частности, они используются МЧС ЗАО г.Москвы при оценке концентраций химических опасных веществ в зонах аварийных выбросов в речные потоки, а также в случае аварийных ситуаций, связанных с процессами размыва речных русел.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Заключение диссертации по теме «Гидравлика и инженерная гидрология», Ляпин, Антон Валерьевич

Основные выводы, полученные в диссертации, сводятся к следующему:

-Предлагается количественный критерий, позволяющий разграничить области плавноизменяющихся и резкоизменяющихся неравномерных открытых потоков, основанный на особенностях распределения касательных напряжений в неравномерных потоках.

-Исследована зависимость коэффициентов турбулентного перемешивания и турбулентной диффузии от параметров, определяющих неравномерность течения в открытых руслах.

-Предлагается метод расчета коэффициента турбулентной диффузии для неравновесных процессов разбавления сточных вод в плавноизменяющихся открытых потоках, учитывающий степень неравномерности течения, определяемую уклоном свободной поверхности.

- Получены зависимости для критических скоростей размыва связных грунтов, основанные на особенностях гидравлического трения при плавноизменяющемся движении.

- Установлено влияние неравномерности течения на профили концентрации и среднюю концентрацию мелкой взвеси в плавноизменяющихся открытых потоках. Предложены формулы для расчета профилей концентраций и средней концентрации мелкой взвеси в плавноизменяющихся потоках, учитывающие степень неравномерности течения, определяемую уклоном свободной поверхности.

- Выявлены особенности осаждения мелкой взвеси в плавноизменяющихся открытых потоках. Получены зависимости для длин участков осаждения мелкой взвеси в открытых потоках, основанные на закономерностях гидравлического сопротивления при плавноизменяющемся течении.

- Выявлено существование постоянных законов распределения скоростей на нормалях к участкам периметра открытых русел с одинаковой шероховатостью. Рекомендован метод расчета локальных гидродинамических характеристик течения.

- Проведенный расчет рассеивающего выпуска сточных вод показал, что использование полученных зависимостей в случае плавноизменяющихся потоков позволяет, за счет сокращения общего количества насадок (отверстий), существенно упростить и удешевить конструкцию выпуска.

115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ляпин, Антон Валерьевич, 2006 год

1. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М.: Недра.1982.224 с.

2. Альтшуль А.Д и др. О касательных напряжениях при движении воды в открытых руслах // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1983. № 6. С. 155-158.

3. Альтшуль А.Д., Казеннов В .В., Войтинская Ю.А. Гидравлические потери на трение в водоводах электростанций. М.: Энергоатомиздат. 1985. 105 с.

4. Альтшуль А.Д., Ляпин В.Ю. Обобщенные формулы неразмываю-щей скорости и параметра Шильдса для мелкозернистых несвязных грунтов4 //Изв. вузов. Энергетика. 1991. № 1. С.117-122.

5. Альтшуль А.Д., Ляпин В.Ю. О показателе подвижности донных частиц в неравномерных потоках // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1990. №3. С. 157-167.

6. Альтшуль А.Д., Ляпин В.Ю., Аль-Хедер Б. О влиянии формы сечения русла на гидродинамические характеристики турбулентных потоков // Изв. вузов. Энергетика. 1992'. № 4. С.91-94.

7. Айвазян О.М. Новый способ экспериментального исследования коэффициента гидравлического сопротивления при неравномерном плавноизменяющемся движении в открытых руслах // Вопросы гидравлики. 1969. Вып.1. С.46-55.

8. Ахмедов Т.Х. Размыв скального грунта. М.: Энергия. 1981.

9. Бахметев Б.А. О неравномерном движении жидкости в открытом русле . Л.:Кубуч. 1932. 305 с.

10. Беннет К.О., Майерс Дж. Е. Гидродинамика, теплообмен и массообмен. М.: Недра. 1967. 727 с.

11. Богомолов А.И., Боровков B.C., Майрановский Ф.Г. Высокоскоростные потоки со свободной поверхностью. М.: Стройиздат. 1979. 344 с.

12. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. Д.: Гидрометеоиздат. 1989. 286 с.

13. Боровков B.C., Маркова И.М. Реакция русловых аккумулятивных процессов на изменения окружающей среды, связанные с урбанизацией территории // Тезисы докладов на Всероссийской научной конференции. Казань: Изд-во Казанского госуниверситета. 1996.

14. Великанов М.А. Динамика русловых потоков, т.1. М.: Гостехиздат. 1954. 323 с.

15. Великанов М.А. Русловой процесс. М.: Физматиздатгиз. 1958.395 с.

16. Высоцкий Л.И. Управление бурными потоками на водосбросах. М.: Энергоатомиздат. 1990. 240 с.

17. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат. 1988. 624 с.

18. Гиргидов А.Д. Техническая механика жидкости и газа. Санкт-Петербур: Изд. СПбГТУ. 1999. 395 с.

19. Гончаров В.Н. Движение наносов в равномерном потоке. М.; Л.:ОНТИ. 1938. 312 с.

20. Гришанин К.В. Гидравлическое сопротивление естественных русел. С.-Пб.:Гидрометеоиздат. 1992. 182 с.

21. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат. 1969. 426 с.

22. Гуржиенко Г.А. Об установившемся турбулентном течении в конических диффузорах с малыми углами расширения // Тр. ЦАГИ. 1939. Вып.462. 80 с.

23. Дебольский В.К. и др. Динамика русловых потоков и литодинамика прибрежной зоны моря. М.: Наука. 1994. 303 с.

24. Егиазаров И.В. Обобщенное уравнение транспорта несвязных наносов, коэффициент сопротивления размываемого русла и неразмывающая скорость // Тр. III Всесоюз. гидрол. съезда. Л.гГидрометеоиздат. 1960. Т.5.

25. Еременко Е.В. Касательные напряжения и потери напора в неравномерных открытых потоках при ламинарном движении // Прикладная механика, 1965. Т. 1,вып.6. С. 106-110.

26. Есьман И.Г. Основы неравномерного течения жидкости в открытом русле. М.,Л.: Энергоиздат. 1934. 160 с.

27. Залуцкий Э.В. Гидравлические сопротивления при движении ускоренного турбулентного потока в гидравлически гладком русле // Исследования по прикладной гидродинамике. Киев: Наукова думка. 1965. С.23-31.

28. Залуцкий Э.В. О потерях энергии в турбулентных неравномерных открытых потоках // Исследования турбулентных одно- и двухфазных потоков. Киев: Наукова думка. 1966. С. 45-54.

29. Зегжда А.П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах. М., Л.:Госстроиздат. 1957. 278 с.

30. Кадер Б.А., Яглом A.M. Влияние шероховатости и продольного градиента давления на турбулентные пограничные слои // Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М.:ВИНИТИ. 1984. Т. 18. С.3-111.

31. Казеннов В.В и др. Гидравлические исследования потоков в открытых руслах // Проблемы гидравлики гидротехнических сооружений и потоков в открытых руслах (ГТС-2000). Тез. докл. республиканской конференции. Санкт-Петербург. 2000. С. 4-6.

32. Караушев А.В. Проблемы динамики естественных водных потоков. Л.:Гидрометеоиздат. 1961. 391 с.

33. Кнороз B.C. Неразмывающая скорость для несвязных грунтов ифакторы ее определяющие // Изв. ВНИИГ. 1958. Т.59. С. 5-12.

34. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач//Под ред. С.С.Руднева и Л.Г.Подвидза. М.Машиностроение. 1974. 416 с.

35. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Измерение расхода жидкостей и газов в системах водоснабжения и канализации. М.: Стройиздат. 1985. 424 с.

36. Ляпин А.В., Ляпин В.Ю. Учет степени неравномерности течения в расчетах плавноизменяющихся открытых потоков // Изв. вузов. Строительство. 2005. № 1. С. 106-109.

37. Лятхер В.М. Турбулентность в гидросооружениях. М.: Энергия. 1968.408 с.

38. Маастик А.А. Исследование сопротивления движению воды в откры-тых призматических руслах. Тарту: Изд-во Эст. с/х академии. 1954. 453 с.

39. Маккавеев Н.И. Эрозионно-аккумулятивные процессы и рельеф русла реки. Избранные труды. М.: Изд. МГУ. 1998. 288 с.

40. Машкилейсон А.А. Исследование равномерного течения жидкости в прямоугольных трубах: Дис.канд.техн.наук. М., 1970.

41. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод. // Под ред. А.В.Караушева. Л.:Гидрометеоиздат. 1987. 288 с.

42. Миллионщиков М.Д. Турбулентное течение в пограничных слоях и трубах. М.: Наука. 1969.

43. Мирцхулава Ц.Е. Размыв русел и методика оценки их устойчивости. М.: Колос. 1967. 177 с.

44. Мирцхулава Ц.Е. Основы физики и механики эрозии русел. JL: Гидрометеоиздат. 1988. 303 с.

45. Рауз X. Механика жидкости для инженеров-гидротехников. М.: Стройиздат. 1967. 390 с.

46. Рекомендации по расчету рассеивающих выпусков сточных вод в реки и водоемы. М.: Союзводоканалниипроект.1977. 63 с.

47. Россинский К.И., Дебольский В.К. Речные наносы. М.: Наука. 1980.214 с.

48. Россинский К.И. Речные наносы // Динамика и термика речных наносов. М.: Наука. 1972.

49. Росщупкин Д.В. Влияние ориентации разноокатанных частиц несвязных грунтов на величину размывающей их скорости // Изв. Вузов. Строительство и архитектура. 1976. № 4. С. 117-121.

50. Русловые процессы и водные пути на реках обского бассейна // Под ред. Чалова Р.С., Плескевича Е.М., Баулы В.А. Новосибирск: РИПЭЛ плюс. 2001.300 с.

51. Свешников А.А. Основы теории ошибок. М.: Изд-во ЛГУ. 125с.91.

52. Скребков Г.П., Короткое В.Е. Гидравлический расчет турбулентного потока со стенками разной шероховатости // Гидравлика и теплообмен при равномерном движении жидкости в каналах. Чебоксары: Изд-во ЧГУ. 1980. С.35-40.

53. Скребков Г.П., Погосян А.В. Особенности гидродинамики турбулентных потоков в трубах квадратного сечения // Изв. вузов. Энергетика. 1985. № 8. С. 116-122.

54. Скребков Г.П. Расчет гидродинамических характеристик турбулентного потока в гладкой квадратной трубе // Изв. вузов. Энергетика. 1986. № 8. С.111-115.

55. Скребков Г.П. Плановая эпюра скорости в прямоугольном русле и выбор размеров гидролотка // Гидротехническое строительство. 1966. № 8. С.45-47.

56. Смирнова Т.Г., Правдивец Ю.П., Смирнов Г.Н. Берегозащитные сооружения. М.:Изд-во Ассоциации строительных вузов. 2002. 303 с.

57. Студеничников Б.И. Размывающая способность потока и методы русловых расчетов. М.: Госстройиздат. 1964. 184 с.

58. Субботин В. И. и др. Гидравлика и теплообмен в атомных энергетических установках. М.:Атомиздат. 1975. 408 с.

59. Таршиш М.С. Потери энергии и сопротивления, распределенные по длине при неравномерном установившемся течении жидкости // Гидравлика и гидротехника. Киев: Наукова думка. 1983. Вып.37. С.10-14.

60. Тепакс JI.A. Равномерное турбулентное движение в трубах и каналах. Таллин: Валгус. 1975. 255 с.

61. У-Вин-Тейн. Исследование связи между шероховатостью и гидравлическими элементами потока для размываемых русел в условиях предельного равновесия: Дис. канд. техн. наук.-М.:МИСИ. 1970. 123 с.

62. Указания по методам расчета смешения и разбавления сточных , вод в реках, озерах и водохранилищах. М.: Госстрой. Главное управление погстроительному проектированию предприятий, зданий и сооружений. 1971. 124 с.

63. Федяевский К.К. Турбулентный пограничный слой крыла. 4.1 // Тр. ЦАГИ. 1936. Вып. 282. 24 с.

64. Фидман Б. А. Турбулентность водных потоков. Л.: Гидрометеоиздат. 1991. 240 с.

65. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа. 1979. 272 с.

66. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука. 1974. 712 с.

67. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. Т. 1,2.-М.: Энергоатомиздат. 1991.656 с.

68. Чоу В. Т. Гидравлика открытых русел. М.:Стройиздат. 1969. 464с.

69. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.:Энергоиздат. 1982. 672 с.

70. Airy W. Manuscripts of the US Institute of Civil Engineers. Wash. (D.C.). 1885.

71. Bettes F. Investigation of Non-Uniform Flow in Open Channels // Civ. Eng. 1957. V. 52. P. 609-610.

72. Cardoso A. H., Craf W.H., Gust G. Spatially Accelerating Flow in

73. Smooth Open Channels //Proc. XXIII Congr. IAHR. Tehn. Ses.A; Turbulence in Hydraulics. Ottawa. 1989. P. 1-20.

74. Deissler J.W., Taylor M.F. Analysis of Turbulent Flow and Heat Transfer in Non-Circular Passages // US NASA. 1959. TR R 31.

75. Donch F. Divergence und Convergente Turbulent Stromungen mit Kleinen Offnungswinkeln //VDl-Forshungsarbeiten. 1929. H. 282. 70 s.

76. Engelund F. Energy and Momentum Equation for Non-Uniform Flow //Ser.Pap.Inst. Hydrodin. and Hydr.Eng.Tehn.Univ.Denmark.1981.52 p.

77. Hosia L. Observations on the Effect of Nonuniformity of Flow on Resistance Coefficient //Acta Politehn. Scand. Civ. Eng. 1978. N 79. 44 P.

78. Iwagaki Y. Hydrodynamical Study on Critical Tractive Force //Trans. , J. SCE. 1956. N41.

79. Kahan M., Hincu S. Dinamica Curentilor Tub Presinue in Canale cu Rigozitato Mixtra//Studiisi Cercetari de Mecanica Apliata. 1957. T.8. P. 2.

80. Mantz P. A. Insipient Transport of Fine Grains and Flakes by Fluids -Extended Shields Diagram //Journ. Hydr. Div. 1977. N HY6. P. 601-615.

81. Nikuradze I. Untersuchungen Uber die Stromungen des Wassers in Konvergenten und Divergenten Kanalen //VDI-Forch. 1929. H. 289. 60 s.

82. Ramakrishna R.A. A Relationship between Friction Factor and Energy Slope at Incipient Motion of Sediment Particles // Journ. Hydr. Div. 1978. V. 98. NHY11.

83. Raudkivi A. Loose Boundary Hydraulics. New York: Pergamon Press/ 1976. 440 p.

84. Shields A. Anwendung der Aehnlichkeitsmechanik und der Turbulenzforshung auf die Geschiebebewegung //Mitteilungen der Pruessishen Versushsanstalt fur Wasserbau und Schiffbau. Berlin. 1936. P. 36-41.

85. Shoklich Ф. Вук Wasserbau. Wien. 1930.

86. Schlichting H. Experimentalle Untersuchungen zum Rouhigkeits Problem//Ingenier Archiv. 1936. Bd. 7.

87. White S. M. Plane Bed Thresholds of Fine Grained Sediment I I Nature. 1970. V. 228. P. 152-153.