Физическое моделирование взвесенесущих паводковых потоков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физическое моделирование взвесенесущих паводковых потоков

Г.Т. Давранов

Предложена методика моделирования взвесенесущих паводковых потоков которая разработана на основе экспериментальных исследований по изучению физических свойств глинистых суспензий и анализа работ. Предложенные зависимости позволяют определять насыщенность потока наносами на модели, при известных параметрах натурного потока, и а также производить пересчеты натурного потока.

Проектирование и реконструкция гидротехнических сооружений на наносотранспортирующих и взвесенесущих водотоках, как правила производится с проверкой и уточнением проектных предположений на гидравлических и русловых моделях этих сооружений. Однако, несмотря на наличие значительных теоретических разработок и опыта в области моделирования, подготовка и проведение физического моделирования сооружений на взвесенесущих потоках с высокой концентрацией наносов вызывает ряд затруднений, связанных с необходимостью соблюдать ряд критериев подобия, обеспечивающих репрезентативность результатов, определение качественных и количественных характеристик исследуемых процессов и явлений, особенно характеризующих деформации русла динамику русловых процессов. Такими критериями являются, прежде всего, критерий кинематического и динамического подобия, одновременное соблюдение которых в реальных условиях весьма затруднительно, зачастую невозможно. Поэтому в практике моделирования часто прибегают к частичному искажению физико-механических характеристик потока.

Движение любой вязкой жидкости определяется взаимодействием силы тяжести и сил гидравлического сопротивления движению, которые в значительной степени определяются влиянием сил вязкости, устанавливаемых исходя из величины критерия, выражаемого числом Рейнольдса. При моделировании движения потоков с большой концентрацией мельчайших частиц наносов, способных изменить вязкости воды, необходимо учитывать изменение вязкости потока в зависимости от количества и других характеристик этих частиц, определяющих физические свойства потока, прежде всего его турбулентность (режим движения) и гидравлическую крупность падающих в нём частиц. Немаловажную роль при моделировании движения таких потоков играет подготовка механического состава и материала, имитирующего наносы и изучение их влияния на физические свойства воды с учётом региональных условий.

Конкретный объект наших исследований, малые водотоки Ферганской долины во время паводков транспортируют в основном мелкие наносы содержанием частиц d <0,1 мм от 80 до 95% при общей насыщенности потока от 20 до 200 кг/м 3.

Динамическое подобие модельного потока натурному для случая, преобладающего действия сил тяжести обеспечивается выполнением условия

Fr = idem. (1)

Значения масштабных коэффициентов для просчета всех параметров определяются согласно общепринятой методике моделирования.

Обеспечение основных качественных характеристик исследуемого процесса, на модели достигалось соблюдением граничных условий

(2)

где dМmax, dНmax, НМ, НН - соответственно, максимальные диаметры наносов и средние глубины модельного и натурного потоков, м.

Для моделирования фракционного состава взвешенных наносов нами было использовано условие кинематического подобия в следующем виде

(3)

где VНcр, VМcр - средние скорости натурного и модельного потоков, м/с; WH, WМ - гидравлические крупности сходящих фракций натурных и модельных наносов, м/с.

Следует, что масштабный коэффициент для определения гидравлической крупность на модели v равен масштабному коэффициенту для скорости W, то есть

W = v = 0,3. (4)

Мы произвели пересчет натурного гранулометрического состава, полученного в результате ситового анализа отобранных проб наносов в гранулометрический состав наносов на модели.

При этом в целях упрощения пересчета и особенно последующего подбора фракций полученного состава модельных наносов, общее число фракций, натурных наносов было нами сокращено до четырех, путем объединения промежуточных фракций. Гидравлические крупности частиц в начале и конце каждой объединенной фракций определялось, исходя из их диаметров по шкале А.А. Саркисяна, а средняя гидравлическая крупность этой фракции вычислялась по формуле А.Н. Гостунского

(5)

где WHimin, WHimax - гидравлические крупности соответствующие диаметрам, ограничивающим рассматриваемую фракцию.

Разделяя вычисленные - WHi на W мы определяли средние гидравлические крупности соответствующих фракций модельных наносов WМ, а затем с помощью шкалы А.А. Саркисяна, исходя из полученных значений WМi обратным ходом находим средние диаметры каждой модельной фракции dМi.

Процентное содержание каждой полученной пересчетом фракций модельных наносов должно равняться процентному содержанию соответствующих фракций натурного состава наносов. Однако практически при изготовлении смеси модельных наносов строго выдерживать условие

РdiН = РdiМ

весьма затруднительно (особенно, из-за трудности подготовки мелких фракций) о чем свидетельствует ниже. Проведенные нами в дальнейшем исследования показали, что расхождения содержания отдельных фракций модельных и натурных наносов до 20% не вызывает существенных погрешностей, поскольку при определении вязкости модельного потока по общему механическому составу наносов они учитываются.

Поскольку, согласно диаметры частиц модельных наносов существенно меньше чем натурных, то очевидно, при одинаковой насыщенности наносами модельный поток имеет большую вязкость , чем натурный . Это подтверждают результаты исследований Н.П. Кулеша, Ц.Е. Мирухулова, И.А. Мосткова, Х.А. Исмагилова, А. Эйнштейна, А. Даидо и других. Достигнуть равенства = не меняя фракционного состава можно только путем некоторого уменьшения насыщенности модельного потока наносами STM. Для более подробного выяснения этого вопроса мы изучали влияние размеров частиц на вязкость потока с помощью специальных опытов, проведенных с использованием вискозиметров ВПЖ-4 и' ВПЖ-2. В процессе опытов изучалось влияние на вязкость воды частиц наносов со средними диаметрами 0,006; 0,012; 0,016; 0,021; 0,026; 0,04 мм. Кинематические вязкости смеси определялись при следующих значениях объемной концентрацией (насыщенности наносами в %) 5; 10; 15; 20; 25; 30 % объема. По результатам опытов для каждого dср была построена самостоятельная кривая зависимости относительной вязкости от объемной концентрации наносов в потоке

.

Анализ кривых показал, что зависимость /от SТ может быть описана показательной функцией

/= f(ST/SB)n+1, (6)

где , - соответственно, кинематические вязкости смеси и воды, м 2/с; ST - объемное содержание частиц в потоке. %; SB = (100 - ST) - объем чистой воды, %; n - показатели степени.

Для вычисления значений n получена эмпирическая формула

n =1 + (SТ/SB) 0,24. (7)

Входящий в формулу коэффициент K оказался зависящим от среднего диаметра частиц наносов. Статистическая обработка экспериментальных данных привела к следующим выражениям для определения K в зависимости от отношения dср/dmax (в условиях объекта исследований dmax = 0,05 мм). При dср ? 0,015 мм К = 2,57/(dср/(dmax) (при коэффициенте корреляции ч = 0,85). При dср < 0,015 мм K = 2,57/ (dср/(dmax) (при коэффициенте корреляции ч = 0,78).

Так как уравнение нелинейно относительно SТ, его достоверность проверялась методами криволинейной корреляции, исходя из величины корреляционного отношения. Значение корреляционного отношения корреляционной зависимости

/ = f (ST, К)

по нашим расчетам 0,4…0,6.

Для удобства расчетов с помощью кривых формул, получены следующие выражения:

(8)

(9)

Таким образом, обеспечение подобия динамических характеристик движения наносов на модели и в натуре, позволяет получить модельный поток, который при геометрически неискаженной модели, соответствует основным параметрам натурного потока. Допускаемое частичное уменьшение насыщения модельного потока приводит к уменьшению количества транспортируемого твердого материала, что в некоторой степени влияет на количественную оценку исследуемого процесса. При пересчете результатов опытов в масштаб натуры это уменьшение можно учитывать с помощью выражения моделирование паводковый глинистый

(10)

где WНi - объем натурных наносов, i - фракции в натуре, м 3; WMi - объем модельных наносов, i - фракции в модели, м 3; W - масштабный коэффициент объема; SНТ/SМТ - отношение объемных насыщений в натуре и на модели.

Кроме взвешенных наносов, паводковые потоки перемещают и донные наносы, которые образуются за счет продуктов русловой эрозии и размыва наносных отложений, образованных в русле предыдущими паводками. Приблизительно расход донных наносов можно принимать равным 5…10% полного весового расхода твердого стока.

Библиографический список

1. Давранов Г.Т. К вопросу определения гидравлической крупности частиц в глинисты суспензиях /Л. Гез. докл. науч.-техн.конф. молодых ученых и специалистов. Мелиорации и водохозяйственное строительство. - Тбилиси, 1989. С. 93.

2. Ляхтер В.М., Прудовский А.М. Гидравлическое моделирование. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 392 с

3. Исмагилов Х.А. Селевые потоки, русловые процессы, противоселевые и противопаводковые мероприятия в Средней Азии. - Ташкент, 2006. 249 с.

Размещено на Allbest.ru