РАЗДЕЛ 2
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА СВОБОДНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВОДОТОКЕ С ГИБКОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ)
2.1. Механизм взаимодействия водного потока с гибкой донной растительностью
2.1.1. О влиянии водной растительности
Влияние зарастаемости русел на изменение гидравлических характеристик можно рассматривать с разных точек зрения. В речной гидрометрии решается задача о расчете стока воды с учетом зарастаемости русел. Изменение формы кривой расходов воды с учетом развития водной растительности проявляется довольно сложно из-за взаимодействия гидравлических и биологических факторов. Растительность влияет на расход неодинаково в разные периоды ее вегетации. В период роста, развития растительности уровни увеличиваются, затем по мере отмирания растительности влияние на кривую расхода ослабляется, чему способствует и сам поток, пригибающий ее ко дну. На вегетацию водной растительности оказывает решающее влияние повышение температуры воды примерно на 100С. Создается впечатление, что реки (каналы) становятся полноводными. В действительности повышается только уровень воды, водность рек остается прежней, а в период межени может даже уменьшиться.
При эксплуатации водотоков развитие водной растительности в каналах является нежелательным фактором, поскольку это приводит к уменьшению пропускной способности русел. Следует также учитывать повышение уровня воды, предусматривать повышенное значение площади поперечного сечения канала. При эксплуатации водотоков растительный слой удаляется механическим путем или разведением рыбы, для которой водная растительность представляет питательную среду.
Следует также учесть, что водная растительность может быть полезной и даже необходимой, поскольку под ее влиянием происходит самоочищение воды. Растительный покров ограничивает размыв и укрепляет русло водотоков. Поэтому специально проектируются каналы с травяным покровом, учитывая его влияние на пропускную способность русел ?18, 63?.
2.1.2. Структура потока с гибкой донной растительностью
Задачи гидравлических расчетов зарастающих водотоков становятся все более актуальными. Трудности разработки концепций о гидродинамических закономерностях течений в заросших руслах связаны со сложной структурой таких потоков, что трудно поддается анализу, схематизации, моделированию. Особо сложным является пространственное течение в частично заросших руслах. В данной работе рассматривается плоская задача, но на ее основе можно получить полезные данные для русел, полностью или частично заросших донной гибкой растительностью.
Руководствуясь положениями теории Прандтля-Кармана, рассмотрим движение жидкости в потоке с растительностью. На основании анализа кинематической и динамической структур в пограничном турбулентном слое можно рассматривать течение в виде системы слоев. Вблизи твердой подстилающей границы происходит резкое торможение потока и образование вихревого турбулентного движения жидкости. Эту область обычно называют слоем шероховатости. Для элементов шероховатости показанных на рис.1.9, толщина слоя шероховатости (толщина вытеснения) может определяться зависимостями и , где - безразмерная поперечная координата, приведенная к скорости трения (т.е. ) [9].
Среднее течение в слое шероховатости является трехмерным, т.е. . Для двухмерного турбулентного течения вблизи стенки, где , происходит потеря устойчивости движения, что приводит к возникновению ячеистого трехмерного течения в пространстве между элементами шероховатости. Течение около изолированного выступа шероховатости определяется, как функция и может рассматриваться в виде подковообразного вихря, охватывающего выступ шероховатости. В слое шероховатости определенное по времени касательное напряжение изменяется от точки к точке, хотя среднее вдоль течения значение не будет зависеть от расстояния до стенки во внешней части слоя (т.е. за пределами выступов, которые сами по себе передают какую-то часть касательного напряжения). В почти параллельном течении непосредственно за пределами слоя постоянного касательного напряжения формируется пристеночный (придонный) слой.
Пристеночный слой характеризуется наличием трехмерного турбулентного потока и области почти параллельного потока, в пределах которого значения касательных напряжений принимаются постоянными. Эта область охватывает ничтожно малые зоны турбулентного пограничного слоя. Во внешней области пограничного слоя возникают вязкие мелкомасштабные течения.
При рассмотрении течения с учетом влияния шероховатости можно представить схемы вблизи стенки с прямоугольными элементами, расположенными по нормали к скорости среднего течения.
Анализ характеристик пограничных слоев с прямоугольными элементами шероховатости можно использовать для представления механизма взаимодействия турбулентного потока, формирующегося вблизи шероховатой поверхности в виде гибкой донной растительности.
На рис.1.9.(б) показано распределение продольной осредненной скорости относительно продольной координаты х.
Рассмотрим взаимодействие турбулентного потока с растительным слоем. Профиль скорости формируется при воздействии турбулентного течения в области растительности и над ней. Во впадинах между вершинами отдельных растений образуется вихрь, который, взаимодействуя с турбулентным течением, образует сложный профиль скорости. Анализ этого позволяет установить кинематическую структуру турбулентного потока в области обтекания выступа шероховатости и потока над растительным слоем.
При таком предположении кинематики турбулентного потока следует образование области, характеризующейся нулевой скоростью турбулентного потока. В соответствии с этой гипотезой профиль скорости может быть аппроксимирован полиномом, как показано в [57]. Следовательно, оценки значимости могут быть реализованы, исходя из предположения о несущественном влиянии нелинейных членов.
Рассмотрим возможные кинематические схемы течений в открытых каналах с различными видами ше
- Київ+380960830922