Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальное исследование воздействия нестационарных потоков на препятствия и донные осадки

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование воздействия нестационарных потоков на препятствия и донные осадки"

004616323

На правахрукописи

щ

Завьялов Иван Николаевич

Экспериментальное исследование воздействия нестационарных потоков на препятствия и донные осадки

Специальность 25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 9 ЛЕК 2010

Москва - 2010

004616323

Работа выполнена на кафедре прикладной механики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет).

Научный доктор физико-математических наук,

руководитель: профессор

Жмур Владимир Владимирович кандидат физико-математических наук, доцент

Ткаченко Борис Константинович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Журбас Виктор Михайлович

Институт океанологии им. П.П. Ширшова

РАН

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор

Самолюбов Борис Исаевич Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова, ГУ

Защита состоится 29 декабря 2010 г. в 11 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.239.02 при Учреждении Российской академии наук Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский пр., 36

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Автореферат разослан «2^» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук—Гинзбург

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Силовые нагрузки на препятствия, возникающие в результате воздействия скоростных фронтов, встречаются в природе повсеместно: это удары волн в прибрежные сооружения, воздействие ветровых порывов на препятствие и т.д. Физическая природа взаимодействия, а, значит, и принципы вычислений величины таких нагрузок, в зависимости от параметров среды и масштабов соприкосновения с объектом, могут быть различны. В частности, влияние нестационарного компонента силового воздействия требует дополнительных исследований.

В работе (Бобков С.А., 2006) было показано, что при взаимодействии ветровых порывов с протяженными препятствиями или при волновых ударах в различные прибрежные сооружения нестационарный компонент давления может в сотни раз превышать давление, рассчитываемое по формуле Бернулли. При традиционном подходе единственной аналитической формулой для расчета двумерного нестационарного обтекания является интеграл Коши-Лагранжа. Однако данное соотношение является справедливым только для несжимаемой жидкости. Если тело движется в среде с ускорением, то масса среды, вовлекаемая в движение вместе с телом, будет постоянно изменяться. А если скорость распространения возмущения в среде ограничена, то вовлекаемая в движение масса среды не будет успевать сформироваться, что приведет к отклонению расчетных нагрузок от результатов, полученных при помощи интеграла Коши-Лагранжа. Таким образом, задача изучения влияния эффектов, связанных с ограниченностью скорости распространения возмущений, на нестационарный компонент давления является важной задачей.

В той же работе (Бобков С.А., 2006) была сформулирована и теоретически решена задача о влиянии сжимаемости на нестационарный компонент давления. В качестве критерия значимости сжимаемости среды

предлагался безразмерный параметр К = аЯ/с2 , где а - ускорение, формируемое на препятствие скоростным фронтом, К - полуразмер препятствия, С - скорость звука в среде; при К«1 реализуется приближение несжимаемой жидкости, при К» 1 реализуется предельный случай сжимаемости. Для каждого предельного случая была аналитически получена формула для определения нестационарного компонента давления. При экспериментальном исследовании применялась газо-гидравлическая аналогия. В указанной работе исследования проводились на гидролотке с тонким слоем жидкости. Однако экспериментальная часть работы (Бобков С.А., 2006 г.), была не завершена. В работе значения определяющего параметра К не превышали 0.2, а при таких значениях величина нестационарного компонента давления

оказывалась близка к величине, полученной в приближении несжимаемой жидкости. Также при проведении экспериментов уровень жидкости со свободной поверхностью испытывал серьезные изменения. Как следствие -справедливость приближения мелкой воды для таких экспериментов требует дополнительного обоснования.

Другим типом воздействия нестационарных потоков являются гравитационные потоки с активным взмучиванием донных осадков. В природе гравитационные взвесенесущие потоки могут достигать катастрофических масштабов. Наиболее известен поток, возникший на Большой Ньюфаундлендской банке в 1929 г., приведший к серии обрывов трансатлантических линий связи (Heesen B.C., Ericson D.B., Ewing M., 1929; Kuenen Ph. H., 1952; Thomas N.H., Simpson J.E., 1953 г.).

Гравитационные придонные потоки можно разделить на термохалинные и взвесеснесущие (или мутьевые). Термохалинные потоки образуются из воды, имеющей более низкую температуру или более высокую соленость, чем окружающая (фоновая) вода. Во взвесенесущих потоках более высокая плотность достигается наличием внутри потока мелких частиц осадочных пород.

В научной литературе вопросам исследования гравитационных потоков в лабораторных условиях посвящено много работ: (Зацепин А.Г., Костяной А .Г., Шапиро Г.И., 1982; Зацепин А.Г., Шапиро Г.И., 1982; Ellison Т.Н., Turner J.S., 1959; Kantha L.H., Phillips О.М., Lofquist К., 1960; Narimousa S., Long R., Kitaugorodskii A.S., 1985 и др.). Эти исследования дали ответы на очень большое число вопросов о зарождении и развитии плотностных гравитационных потоков. Кроме того, изучена эволюция плотностных потоков на наклонном дне вследствие сил Кориолиса (Зацепин А.Г., Костяной А.Г., Семенов В.И. 1996). Однако до сих пор остается слабо исследованным механизм вовлечения в плотностной поток окружающей жидкости и твердых частиц донных пород. Особенности движения гравитационного потока, распространяющегося при активном массообмене с донными осадками, также мало изучены. Кроме того, затруднительны надежные количественные оценки массы вовлекаемых в движение и переносимых вниз по склону донных осадков. Важным вопросом является вопрос о физике развития катастрофически сильных мутьевых потоков, особенно в их головной части, так как это может повреждать подводные коммуникации и сооружения.

Таким образом, проведение исследования воздействия нестационарных потоков на препятствия и донные осадки является актуальной задачей.

Объектами исследования настоящей диссертационной работы являются нестационарный компонент давления, возникающий при взаимодействии скоростных фронтов с препятствием, и взвесенесущий

гравитационный поток, распространяющийся при активном массообмене с донными осадками.

Предмет исследования: влияние сжимаемости на нестационарный компонент давления при взаимодействии скоростных фронтов с препятствием, взаимосвязь основных характеристик взвесенесущего гравитационного потока со скоростью взмучивания донных осадков при активных массообменных процессах.

Цель и задачи работы:

• Экспериментальное исследование влияния сжимаемости среды на формирование нестационарного компонента давления при взаимодействии скоростного фронта с препятствием.

• Построение качественного и количественного описания распространения интенсивного гравитационного потока с учетом активного массообмена с донными осадками.

Для достижения поставленной цели автором были поставлены и решены следующие задачи.

В первой части диссертации было выполнено экспериментально-теоретическое исследование влияния эффектов сжимаемости на нестационарный компонент давления. Была экспериментально подтверждена правомочность приближения мелкой воды для условий лабораторного моделирования. Получены результаты для нестационарного компонента давления при значениях параметра Л=0.45, где результаты становятся ближе к пределу сильно сжимаемой жидкости.

Во второй части диссертации изучались особенности распространения гравитационных потоков с учетом вовлечения в движение донных осадочных пород. В результате работы была предложена гипотеза, что на подобный поток основное действие оказывает две силы: сила тяжести и сила реактивного сопротивления, вызываемая вовлекаемыми в поток частицами донных осадков. Суть реактивной силы заключается в следующем: когда твердые частицы поднимаются со дна их скорость, направленная вдоль склона, равна нулю. Чтобы разогнать эти частицы до скорости взмутившего их потока, поток должен потерять часть своего импульса. На основании данной гипотезы была предложена аналитическая формула для связи основных параметров потока. Данная формула была проверена и подтверждена экспериментально.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

• Экспериментально доказано влияние эффектов сжимаемости на нестационарный компонент давления.

• На основании лабораторного моделирования описана периодически изменяющаяся структура распространения взвесенесущего потока с активным массообменом с донными осадками.

• Впервые в баланс сил, влияющих на распространение взвесенесущих потоков, включена реактивная сила сопротивления, обусловленная взмучиванием донных осадков.

• Получена и экспериментально обоснована аналитическая формула, связывающая параметры потока со скоростью вовлечения в движение донных осадков.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. На основании лабораторного моделирования показано правомочность применения приближения мелкой воды для исследований нестационарного движения в тонком слое жидкости со свободной поверхностью.

2. Ограниченность скорости распространения возмущений в среде может влиять на величину нестационарного компонента давления при превышении критерия сжимаемости среды К>0.2.

3. Взвесенесущий поток, распространяющийся при наличии активного массообмена с донными осадками, имеет периодически перестраиваемую внутреннюю структуру.

4. Получена и экспериментально подтверждена аналитическая формула, связывающая основные параметры взвесенесущего потока, распространяющегося при активном вовлечении в движение донных осадков

ü 2 u р . Fr =--—sin«.

К Рь

Достоверность положений и результатов, выносимых автором на защиту диссертации, обеспечивается согласованностью экспериментальных данных с теоретическими выводами, сделанными из фундаментальных законов сохранения.

Практическая значимость: результаты работы могут быть полезны в различных областях народного хозяйства, в том числе при проектировании крупномасштабных строений в зоне повышенной ветровой нагрузки, для предсказания возможности образования катастрофически сильных мутьевых потоков, и оценки интенсивности их воздействия на подводные сооружения. Предложенная модель позволит проводить оценку транспорта осадочных пород гравитационными потоками.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных конференциях и семинарах ведущих институтов.

Публикации. Результаты по теме диссертационного исследования опубликованы в 6 работах, из них одна - в рецензируемом журнале из списка, рекомендованного ВАК. Еще одна статья в журнале, рекомендованном ВАК, находится в печати. Список публикаций представлен в конце автореферата.

Личный вклад автора. Все научные результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором. В результатах, полученных

совместно с научными руководителями работы Ткаченко Б.К. и Жмуром В.В., автору принадлежит ведущая роль в выполнении экспериментальных работ и интерпретации результатов и равная роль в постановке задачи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, двух глав, Заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 103 стр., содержит 31 рисунок и список литературы из 128 наименований.

ОСНОВНОНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность и важность исследуемых проблем, сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Введение разбито на две части. В первой части изложены существующие проблемы исследования нестационарного компонента давления. Во второй части речь идет о гравитационных потоках. Дан краткий обзор литературы, посвященной гравитационным потокам, описаны основные причины возникновения взвесенесущих потоков в океане. Качественно и кратко описана структура взвесенесущего потока, распространяющегося с активным вовлечением в движение донных осадков.

Первая глава посвящена исследованию нестационарного компонента давления. Для того чтобы выполнить исследование нестационарного компонента давления, предполагалось использовать газогидравлическую аналогию. Однако подобная экспериментальная методика требует обоснования справедливости использования модели мелкой воды для изучения нестационарного компонента давления. Поэтому первая глава распадается на два раздела. В первом разделе выполнено экспериментально-теоретическое обоснование справедливости использования приближения мелкой воды, для исследования нестационарного движения тонкого слоя жидкости со свободной поверхностью. Во втором разделе исследуется влияние сжимаемости на нестационарный компонент давления

Для обоснования справедливости применения модели мелкой воды в одномерной постановке вычисляется профиль высоты, формируемый перед двигающимся равноускоренно поршнем. Данное вычисление делается методом характеристик, и получается следующий результат:

а

64§2

3^ + 6^

+

1

Л

16 &

где / - расстояние от поршня, й - ускорение, с которым двигается поршень, к, - начальная высота уровня жидкости, / - время, прошедшее с начала

движения поршня, И - высота воды в точке на расстоянии / от поршня в момент времени £ ., g - ускорение свободного падения.

Потом вычисляется предел увеличения давления на начинающем двигаться равноускоренно поршне при пределе фокусировки волн сжатия (при а —» со , предел сильно сжимаемой жидкости):

АР=Рхоа = РёК^ А/» = 1

2 3 К 3'

Для сравнения теоретических результатов профиля высоты с экспериментальными была собрана установка. Установка представляет собой прямоугольный лоток, в котором может двигаться поршень, равный ему по ширине. Поршень приводится в движение съезжающей с наклонной плоскости массивной тележкой, таким образом, создается равноускоренное движение поршня. Примеры осциллограмм ускорений, измеряемых акселерометром, прикрепленному к поршню, представлены на рис.1.

Рис. 1. Осциллограммы для ускорений, равных 1.8 м/с2 и 3.7 м/с2

Движение поршня и формируемые перед ним профили высоты слоя жидкости фиксировались фотокамерой Canon EOS покадровым способом с привязкой к временной развертке.

Формируемые перед поршнем профиль и сравнение экспериментальных данных с теоретическими представлены на рис. 2. В диссертации демонстрируется несколько типичных профилей и представлены сравнения экспериментальных и теоретических результатов для высоты водяного столба непосредственно у поршня. На основании полученных результатов можно сделать вывод о правомочности использования приближения мелкой воды для исследования равноускоренного движения. Следует особо отметить, что

приближение мелкой воды продолжает работать, несмотря на начало формирования гидравлического скачка.

- теорешческий профиль экспериментальный профиль нулевой уровень_

расстояние перед порннем, м

Рис. 2. Фотография экспериментально наблюдаемого профиля перед поршнем, двигающимся с ускорением в одномерно поставленной задаче (слева), и сравнение с теоретическим профилем Римана (справа). Параметры эксперимента: ускорение а=3.3 м/с2, время от начала движения г=0.24 с, начальная высота Ип=20 мм

Во втором разделе главы 1 речь идет об исследовании влияния сжимаемости на нестационарный компонент давления. Теоретические результаты для данной работы взяты из работы (Бобков С.А. 2006.), в которой в качестве критерия влияния сжимаемости предлагается

К

аЯ

2

использовать параметр скорость звука в среде и ^

где

а

- ускорение движения,

полуразмер тела.

Для данного критерия существуют два предельных случая: случай

несжимаемой жидкости (при К « 1) и случай движения в среде при

а ~~^ 00 (К »1). Для двух данных предельных случаев была решена задача нахождения безразмерного нестационарного компонента давления по центру двигающегося равноускоренно поршня на мелкой воде:

К^О.

А/г

и

К К

и

кК 2

\

■>о 2§К з

Однако данные теоретические результаты в работе (Бобков С.А., 2006 г.), не были в достаточной степени подтверждены экспериментально. Не было выполнено обоснование применимости приближения мелкой воды,

Д/г

К со,---

для равноускоренного движения поршня на мелкой воде. Максимальное значение, достигнутое для критерия сжимаемости К, составляло 0.2. При таких значениях отличие нестационарного компонента давления от теоретического значения, сделанного в приближении несжимаемой жидкости, не превышали 10%.

Для проверки данных результатов была сделана установка, аналогичная описанной в предыдущем разделе, только с квадратным бассейном.

Полученные результаты представлены на рис. 3. Из представленных данных видно, что эффекты сжимаемости начинают играть существенную роль при значении критерия /¿=0.35 и не играют существенной роли для значений критерия К~0Л 5.

н

X и X о

X

а

о и;

3 X

СЗ •

Я О

Я п)

13

и

х «

х о. о 3

13

о.

го <и ю

0,35 0,30

' 0,25 0.20

К §

С! со ев Ч

0,15

0,10

0,05

0,00

-предел несжимаемой жидкости предел фокусировки волн сжатия ▼ результаты взятые из работы (Бобков С.А. 2006) ♦ результаты полученные в ходе данной работы

/ ¡0

......... / Ч«* Л... ......♦ .А.Л

/ $ \

/ /

[/]

/

' / / т' т ▼

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

Рис. 3. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов для нестационарного компонента давления

Вторая глава диссертации посвящена экспериментально-теоретическому моделированию взвесенесущих потоков,

распространяющихся вдоль дна океана при учете активного массообмена с донными осадками. В данной главе сделан обширный литературный обзор по проблеме изучения распространения и эволюции взвесенесущих потоков.

Представлены основные известные механизмы появления взвесенесущих потоков.

Для лабораторного эксперимента использовался прозрачный гидролоток с наклонным дном. В качестве донного осадка использовался молотый полистирол с плотностью, близкой к плотности фоновой жидкости 1.07 г/см3.

Ход эксперимента: в канал, расположенный под небольшим углом, наливалась вода, полистирол засыпался в канал, вода с полистиролом перемешивалась таким образом, чтобы полистирол равномерно распределился по дну канала; затем канал ставился под нужный угол наклона, в верхней части канала осуществлялся вброс избыточной массы взвеси, из-за чего начиналось распространение взвесенесущего потока, происходящего с активным взмучиванием донных осадков. Движение потока фиксировалось периодически с помощью фотоаппарата.

Последовательные фотографии движения потока представлены на рис. 4, снимки пронумерованы в порядке следования. Временной сдвиг между снимками составляет 0.25 с. Граница взвесенесущего потока и окружающей его среды отмечена сплошной кривой линией. Пунктирными линиями взвесенесущий поток условно разделяется на три зоны. На представленных снимках № 1 и №6, зоны, на которые условно делится взвесенесущий поток, пронумерованы. Первая зона - зона головной части взвесенесущего потока, вторая - зона формирования вихря, третья - зона оторвавшего от потока вихря. Для привязки кадров друг к другу на каждом из них отмечена перпендикулярная дну сплошная прямая линия, ее положение не меняется в пространстве на всех снимках.

Зона с оторвавшимся вихрем не участвует в движении взвесенесущего потока, и остается неподвижной относительно лабораторной системы отсчета. Постепенно вся захваченная оторвавшимся вихрем взвесь оседает обратно на поверхность дна. На снимках от 1 до 6 и от 6 до 10 отчетливо видно, как в зоне оторвавшегося вихря остается все меньше и меньше взвешенных твердых частиц. Задняя кромка головной части движется медленнее передней, из-за чего головная часть увеличивается в размере (кадры 1-5 и 6-10). Зона формирования вихря движется медленнее передней кромки и отрывается от потока, переходя в зону оторвавшегося вихря, то есть прекращает движение относительно лаборатории. Когда происходит отрыв вихревой зоны от головной, вихрь начинает формироваться в головной части, тем самым тормозя ее, и из переднего фронта головной части вырывается язык, что приводит к началу формирования новой головной части, а старая головная часть становиться зоной вихреобразования. Момент отрыва вихревой зоны, переход вихревой зоны в зону, оторванную от основного потока, начало формирования новой вихревой зоны из головной части и формирование новой головной части наблюдаются на кадрах 5, 6 и 7.

Таким образом, каждая частица донных отложений, которая взаимодействовала с потоком, проходит несколько стадий: сперва отрывается от дна и разгоняется до скорости потока, потом попадает в вихревую зону и отрывается от потока, после отрыва оседает обратно на дно.

Из количественного анализа первичных экспериментальных наблюдений можно выделить следующие особенности потока: движение вниз по склону выделенной области происходит с постоянной скоростью, а геометрические размеры выделенной области не претерпевают изменения в масштабе отклонения от некоторой средней величины.

Теоретическое описание базируется на рассмотрении интегрального уравнения движения для головной части потока:

— \\\pйdV = +gsma\\\8pdV-§p[^dS-§unuperldS 0)

Л у V 5 V у х

(й, р я V - скорость, плотность и объем взвесенесущего потока, g - ускорение свободного падения, 81П СС - угол наклона дна, ¡Л -коэффициент вязкости, Ып - скорость частиц дна и фоновой воды,

направленные перпендикулярно поверхности потока, или скорость вовлечения в движение донных осадков и фоновой воды, р средняя

плотность донных отложений и фоновой воды, вовлекаемой в движение вместе с потоком).

В правой части уравнения (1) первый член, - это сила тяжести, второй член - сила вязкого трения о дно и окружающую воду, третий член это сила, связанна с вовлечением в движение донных осадков и фоновой жидкости. Собственно суть третьего члена состоит в следующем: когда в основной взвесенесущий поток попадают новые донные частицы или фоновая жидкость, их требуется разогнать до скорости основного потока, на что тратится запасенный в основном потоке импульс.

По результату первичных экспериментальных наблюдений можно

положить, что слагаемое оказывается равно нулю. Как

показывают работы других авторов, сила вязкого трения о фоновую воду существенно меньше силы трения о дно. Тогда слагаемое

дп

¿Я

на

будет равно ш -— (18, где Б. -

,ь - площадь дна под выделенной

г=0

областью потока. В результате основное уравнение (1) упростится:

Я Sin a JXfSpdV - JJ//JO ds - QuupJS = O . (2)

v Sb o s

Слагаемое <^UnlipendS можно разбить на две части: первая

s

связана с вовлечением в движение донных осадков, вторая - с вовлечение фоновой жидкости в рассматриваемый объем:

QunupendS= \\uupbdS+ |J u„upwdS, (3)

S Sb S<zSt

где pb - средняя плотность донных отложений (включая

запечатанную в осадках воду), pw - плотность фоновой жидкости. Следует

отметить, что твердые частицы донных осадков, вовлекаемые в движение, тормозят поток, и поэтому их учет важен. Выпадающие из потока частицы не влияют на изменение импульса оставшегося объема. Поэтому в уравнении (3) в - первом слагаемом в правой части следует учитывать только

положительные скорости Un направленные со дна внутрь движущегося

объема. Аналогично и для фоновой жидкости.

По результатам качественных наблюдений основной захват частиц донных осадков происходит в головной части потока, а основной захват фоновой жидкости в зоне формирования вихря. Тогда можно предположить, что основное влияние на динамику головной части оказывает член, связанный с вовлечением донных осадков. В этом случае из (3) получаем упрощенное уравнение

[Я ^

— dS - \\uupbdS = 0, (4)

dnyz=0 s„

описывающие равновесие трех основных сил, действующих на данный поток.

Напряжение трения на дне, описываемое вторым слагаемым уравнения (4), не может превышать напряжение, необходимое для взмучивания потока. Поэтому второе слагаемое в (4) при интенсивном взмучивании должно быть заметно меньше чем третье. В результате мы получаем упрощенное соотношение:

g sin a ^SpdV = ^unupbdS, (5)

у Sb

означающее следующее: в рассматриваемой физической системе следует ожидать равновесии двух основных сил - скатывающей и реактивной.

После этого интегральное уравнение заменяется на произведение средних параметров. Тогда:

gs'maSp(Lhl)- иирьЫ, (б)

где I - длинна головной части, Ь - ширина лотка и И - средняя высота головной части потока. Из этого соотношения можно получить выражение:

с 2 и р .

гг =--— эта

К Рь

(7)

где Гг = ■

К

число Фруда.

В нашем случае можно считать, что р « рь. Тогда

Бг =—Бта и

(8)

Данная формула является основным соотношением для экспериментальной проверки гипотезы о равновесии реактивной и скатывающей сил, предложенной в данной работе.

Рис. 4. Движение взвесенесущего потока на наклонном дне с учетом интенсивного вовлечения в движение донных осадков. Временной сдвиг между снимками составляет 0.25 сек, снимки пронумерованы в порядке следования. Сплошная линия перпендикулярная дну лотка остается не подвижной на всех кадрах. Граница взвесенесущего потока и окружающей его среды отмечена сплошной кривой линией. Пунктирными линиями взвесенесущий поток условно разделяется на три области, пронумерованные на кадрах номер 1 и 6

Экспериментальные результаты показывают, что скорость распространения передней кромки такого потока, остается постоянной практически на всем промежутке движения. Причем погрешность в определении скорости движения такого потока не превышает 2% (см. рис. 5). При движении взвесенесущего потока по гладкому дну (без донных осадков) выбегающий вперед потока язык не увеличивается в размере. Это доказывает, что рост выбегающего вперед потока языка, осуществляется за счет вовлечения в движение донных осадков. Скорость роста языка также можно считать постоянной (график зависимости высоты языка от времени показан на рис. 6).

80-

70-

5! 60-

Л 50-

н

С 40-

ж

X 30-

к

е.)

•Л)-

>Х

о

10-

С

0-

-10-

угол наклона 32 градусов угол наклона 28 градусов угол наклона 25 градусов

▲

—I—

-0,2 0,0

—I— 0,2

—I—

0,4 0,6 0,8 1,0

время, с

—I—

0,8

—I—

1,4

-1—

1,6

1,2

Рис. 5. Графики зависимости пройденного пути передней кромки мутьевого потока от времени

30 28 26 24 22 20 18 16 1412 ЮЧ 864-

■ угол наклона 30 градусов

• угол наклона 31 градусов

А угол наклона 30 градусов

т угол наклона 25 градусов

▼

▼ ▲

—I— 0,3

—I—

0,4

—I—

0,5

—I—

0,6

—I—

0,7

-0,1 0,0 0,1

0,2

время,с

Рис. 6. Изменение высоты выбегающего вперед потока языка в зависимости от времени

Для того чтобы измерить избыточную плотность взвесенесущего потока, на его пути устанавливалась ловушка, собирающая в себя всю движущуюся взвесь. Далее вся пойманная взвесь взвешивалась на электронных весах. Зная геометрическую ширину ловушки, плотность полистирола, высоту и длину взвесенесущего потока, можно было получить его избыточную плотность. Однако данный эксперимент вносит искажение в распространение потока, и результаты определения избыточной плотности, вероятно, имеют весьма высокую погрешность, которую можно оценить в 10%. В пробных экспериментах величина избыточной плотности оставалась

равной 0.007г/сл<3.

U .

График зависимости квадрата числа Фруда потока от —sin <2

к

представлен на рис. 7. По результатам, представленным на данном графике, можно судить о справедливости формулы (8) и, как следствие, о справедливости предложенной в данной работе гипотезы, что на взвесенесущий поток с активным массообменом между потоком и донными осадками, основное действие оказывают две силы: сила тяжести и сила реактивного сопротивления вовлекаемых в движение осадков.

и/и зт(а)

Рис. 7. На графике сплошной линией отложена теоретическая формула (8), точками обозначены экспериментальные результаты с погрешностями измерений

Далее проводится сравнение полученных автором данных с теоретическими расчетами, проделанными в работе (Сапов Д.А. 2004). В работе (Сапов Д.А., 2004) исследовались условия развития катастрофически сильных потоков из первоначально слабых потоков. Однако в данной работе не учитывалась сила реактивного сопротивления вовлекаемой в поток взвеси, (предполагалось, что она мала). Данное приближение должно быть справедливо при начале движения потока. В работе использовалась гипотеза о равенстве силы тяжести (с поправкой на силу Архимеда) и силы вязкого трения потока о дно и окружающую воду. В данной работе получалось, что

поток может претерпевать значительное увеличение своих размеров, однако, при значительной интенсификации взмучивания донных осадков, реактивная сила их сопротивления будет возрастать, что приведет к нарушению условия ее малости на фоне силы вязкого трения, что противоречит исходному приближению автора (Сапов Д.А., 2004).

Таким образом, сравнение двух подходов говорит в пользу нашей работы и следует сделать вывод, что рост потока сперва должен замедлиться, а потом размеры потока должны стать постоянными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• Исследование нестационарного компонента давления было выполнено на основе газо-гидравлической аналогии в приближении мелкой воды. Однако подобная экспериментальная методика требует обоснования справедливости использования модели мелкой воды для изучения нестационарного компонента давления. Для этого были выполнено дополнительное экспериментально-теоретическое исследование. В одномерной постановке, на основании нестационарных волн Римана был получен аналитически и подтвержден экспериментально профиль высоты, формирующийся перед двигающемся равноускоренно поршнем. На основании экспериментально-теоретических исследованиях, выполненных в данной работе, можно сделать вывод, что при исследовании нестационарного компонента давления в тонком слое жидкости со свободной поверхностью, несмотря на существенное изменение высоты слоя, приближение мелкой воды остается справедливым.

• В ходе данной работы было установлено, что при достижении безразмерного критерия влияния сжимаемости К=аЯ/с2 значения 0.35 и более, влияние сжимаемости на нестационарный компонент давления становится преобладающим. При таких значениях для определения величины нестационарного компонента давления может быть использовано приближение сильно сжимаемой жидкости. Для условий при которых критерий К<0.15 сжимаемость практически не влияет "на нестационарный компонент давления и его величина может быть вычислена в приближении несжимаемой жидкости.

• На основании лабораторного моделирования было получено качественное описание периодически повторяющейся структуры взвесенесущего потока, распространяющегося при активном массообмене с донными осадками. Распространение потока происходит следующим образом. Из придонной области головной части вперед потока вырывает язык, вероятно имеющий большую плотность, чем весь поток в целом. Затем, активно взмучивая донные осадки, язык увеличивается в размерах и превращается в новую головную часть. Параллельно с ростом языка в «старой» головной части начинает закручиваться вихрь, вовлекающий в

движение фоновую жидкость. После формирования новой головной части из языка «старая» головная часть отрывается от потока, а вся захваченная в ней взвесь оседает обратно на дно, а из «новой» головной части вперед потока вырывается новый язык.

• Впервые в рассмотрение задачи взвесенесущих потоков включена сила реактивного сопротивления вовлекаемых в движение донных осадков. Механизм возникновения данной силы заключается в следующем: когда в основной взвесенесущий поток попадают новые донные частицы или фоновая жидкость, их требуется разогнать до скорости основного потока, из-за чего происходит перераспределение запасенного в потоке импульса.

• В работе была получена и экспериментально подтверждена аналитическая формула, связывающая основные параметры потока:

с г и р .

гг =--— Бта

К Рь

Данная формула была получена при следующих допущениях. Во-первых, суммарная масса взвесенесущего потока распространяющегося при активном массообмене с донными осадками не претерпевает существенных изменений, данное допущение подтверждается в лабораторных экспериментах. Во-вторых, взмучивание донных осадков в головной части потока преобладает над вовлечением в движение фоновой жидкости. В-третьих, интегральные характеристики, описывающие поток, могут быть заменены произведением средних величин. В-четвертых, можно пренебречь силой вязкого трения о дно и фоновую жидкость на фоне силы тяжести и силы реактивного сопротивления взмучиваемых донных осадков.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. Завьялов И.Н., Ткаченко Б.К. Эксперименты по определению величины нестационарной компоненты давления в условиях медленного распространения возмущения // Труды 50-ой научной конференции МФТИ, Москва-Долгопрудный. 2007. Часть 3. Т. 1. С. 114-118.

2. Завьялов И.Н., Взмучивание осадков на дне океана гравитационными потоками // Труды 52-ой научной конференции МФТИ, Москва-Долгопрудный. 2009. Часть 3. Т. 1. С. 54-58.

3. Завьялов И.Н., Жмур В.В. Условия развития интенсивных взвесенесущих потоков из первоначально слабых плотностных течений на наклонном дне океана // Материалы международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.В. Лонгинова. Литодинамика донной контактной зоны океана. Москва. 2009. С. 88-89.

4. Завьялов И.Н., [Ткаченко Б.К.| (Московский физико-технический институт) Нестационарные нагрузки, вызываемые скоростными фронтами, в средах с ограниченной скоростью звука // Естественные и технические науки. 2010. № 1. С. 38-47.

5. Завьялов И.Н. Перенос илистых осадков взвесенесущими потоками на наклонном дне // 9 международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований». 2009.

6. Zavyalov I.N. Physics of spreading of a gravity current on a slanting bottom of the ocean with involving in current solid particles of dredge // Proceeding of the 2nd international conference on Baltiysk. Dynamics of coastal zone of non-tidal seas. Baltiysk. 2010. P. 405-409.

7. Завьялов И.Н., Жмур В.В. Интенсивные взвесенесущие потоки в придонном слое океана на наклонном дне // Труды МФТИ. 2010. Т. 2. № 3 (в печати).

Список литературы к автореферату

1. Бобков С.А. Формирование нагрузок при наличии ускорения в средах с конечной скоростью распространения возмущений. -работа на соискание степени кандидата физико-математических наук, 2006, Москва.

2. Зацепин А.Г., Костяной А.Г., Шапиро Г.И. Медленное растекание вязкой жидкости по твердой поверхности // Океанология. 1982. Т. 22. С. 193-195.

3. Зацепин А.Г., Костяной А.Г., Семенов В.И. Осесимметричное плотностное течение на наклонном дне во вращающейся жидкости // Океанология. 1996. Т. 36. № 3. С. 339-346.

4. Зацепин А.Г., Шапиро Г.И. Исследование осесимметричной интрузии в стратифицированной жидкости // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1982. Т. 18. № 1. С. 101-105.

5. Сапов Д.А. Погранслойные течения придонного слоя океана. Геофизические приложения. - работа на соискание степени кандидата физико-математических наук, 2004, Москва.

6. Ellison Т.Н., Turner J.S. Turbulent Entrapment in Stratified Flows // J. Fluid Mech. 1959. № 6. P. 423-448.

7. Kantha L.H., Phillips O.M., Azad R.S. On Turbulent Entrainment at a Stable Density Interface // J. Fluid Mech. 1977. № 79. P. 753-768.

8. Lofquist K. Flow and Stress Near an Interface between Stratified Fluids // Phys. Fluids. 1960. № 3. P. 158-175.

9. Narimousa S., Long R., Kitaugorodskii A.S. Entrainment Due to Turbulent Shear Flow at the Interface of a Stably Stratified Fluid // Tellus. 1985. V. 38A. P. 76-87.

Завьялов Иван Николаевич

Экспериментальное исследование воздействия нестационарных потоков на препятствия и донные осадки

Подписано в печать 22.11.2010 г. Формат 60><84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ № ф-183.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионально образования

Московский физико-технический институт (государственный университет) Отдел автоматизированных издательских систем «ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ» 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Завьялов, Иван Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ НАГРУЗОК В СРЕДАХ С ОГРАНИЧЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ЗВУКА.

1.1 Экспериментально-теоретическое обоснование применимости приближения мелкой воды для исследования нестационарного движения.

1.1.1. Профиль Римана, формирующийся перед двигающимся равноускоренно поршне на мелкой воде.

1.1.2 Предел фокусировки, волн сжатия при нестационарном процессе движения.

1.1.3 Экспериментальная установка.

1.1.4' Результаты экспериментов.

1.2 Формирование нестационарных нагрузок в среде с ограниченной скоростью звука.

1.2.1 Описание двумерного обтекания-поршня на мелкой воде.

1.2.2 Экспериментальная установка.

1.2.3 Результаты экспериментов.

1.3 Выводы к первой частифаботы.

ГЛАВА 2. ИНТЕНСИВНЫЕ ВЗВЕСЕНЕСУЩИЕ ПОТОКИ НА НАКЛОННОМ ДНЕ.

2.1 Аналитический обзор по гравитационным потокам в гидросфере Земли.

2.2 Причины возникновения взвесенесущих потоков.

2.3 Качественное описание движения потока.

2.3 Разработка теоретической модели взвесенесущего потока.

2.4 Экспериментальные результаты.

2.4 Сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами численного моделирования.

2.5 Обсуждение результатов.

2.6 Выводы ко второй части работы.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальное исследование воздействия нестационарных потоков на препятствия и донные осадки"

Часть 1

Первая часть диссертационной работы посвящена влиянию эффектов сжимаемости на формирование нестационарных нагрузок, возникающих при взаимодействии скоростных фронтов с препятствием.

В природе повсеместно встречается взаимодействие волновых фронтов с различными объектами, например, волновые удары в береговой зоне, порывы ветра, атмосферные фронты, движение скоростных транспортных средств и много другое. Возникает необходимость понимания процессов, происходящих при взаимодействии скоростных фронтов с препятствиями, с целью определения возникающих на препятствия нагрузок.

Но физическая природа, а значит и принципы вычисления величины таких нагрузок, в зависимости от параметров среды и масштабов соприкосновения с объектом, могут быть различны.

Выделим три основных типа взаимодействия: ударное взаимодействие, постоянные по времени нагрузки, связанные с торможением набегающего на препятствие потока и нестационарные нагрузки, связанные с ускоренным движением. Все эти три типа сильно различаются количественно и качественно.

В принципе, любое воздействие содержит в себе все три типа, но в разной пропорции и, как правило, одно из них становится определяющим. Наиболее сложным для описания является ускоренное движение. Единственным выражением для оценок двумерного нестационарного движения является интеграл Коши-Лагранжа. Неизвестны даже предельные величины при движении с очень большим ускорением в сжимаемой среде. Следует отметить принципиальное отличие нагрузки при ударе (разгон с бесконечным ускорением и скачкообразной нагрузкой) от нагрузки при ускоренном движении. В первом случае нагрузка определяется скоростью, а во втором случае, помимо скорости в интеграл Коши-Лагранжа в явном виде входит еще и ускорение (Штеренлихт Д.В., 1991; Н.Е. Кочин, И.А. Кибель, Н.В. Розе, 1963; Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К., Табачников В.Г., 1971).

Изучение влияния сжимаемости, а именно определение величины и вывода критерия оценки, определяющей значимость сжимаемости на нестационарный компонент давления, является важной' задачей. Суть задачи состоит в следующем: если тело движется в среде с ускорением, то масса среды, вовлекаемая в движение вместе с телом, будет постоянно изменяться. А если скорость pácnpocTpaHeHM возмущения в среде ограничена, то вовлекаемая в движение масса1 среды не будет успевать сформироваться, что приведет к отклонению расчетных нагрузок от результатов, полученных при помощи интеграла Коши-Лагранжа.

Основная область возможного применения полученных результатов в прикладных задачах — это применение в инженерных расчетах стойкости построек в< береговой зоне и зоне с высокой^ ветровой нагрузкой. Применяемые в настоящие время строительные нормы и правила совсем не учитывают нестационарный компонент (СНиП «Нагрузки и воздействия»).' В> настоящее времени в качестве характеристики порывов ветра используется отношение скорости в порыве к средней скорости ветра, не учитывая ускорение на скоростном фронте (Peregrine D.H., 2003). Следует отметить, что в представляемой работе мы уйдем от классического понимания понятия порыва ветра (Boettcher F., Renner Ch., Waldl H.-P. and Peinke J., 2003), которое гласит, что в порыве изменение скорости занимает несколько секунд, так как на подобных временах нестационарная компонента не сможет стать преобладающей. Характерные времена для порыва ветра будут не более 100 мс, при таких временах нестационарный компонент давления будет иметь существенное значение.

Объектом исследования является нестационарный компонент динамического давления в средах с конечной скоростью звука. Конечность скорости звука важна как фактор времени формирования массы, вовлекаемой в движение в месте с телом. В случае если скорость звука в среде ограничена, вовлекаемая в движение вместе с телом масса среды не будет успевать формироваться, что приведет к ограничению роста нестационарного компонента давления.

Данная работа является продолжением работы (Бобков С.А., 2006), в аИ. которой был предложен безразмерный комплекс К = —— (где с а - ускорение движения, Я - характерный полуразмер препятствия и с - скорость звука в среде), характеризующий влияние сжимаемости на рост нестационарного компонента давления. В работе (Бобков С.А., 2006) в качестве среды для теоретического исследования использовался слой жидкости со свободной поверхностью. Результаты, полученные при помощи приближения мелкой воды, могли быть пересчитаны по газогидравлической аналогии. В ходе эксперимента исследовалось равноускоренное движение поршня на мелкой воде. Но, из-за существенного увеличения уровня жидкости, справедливость применимости приближения мелкой воды должна быть дополнительно обоснована. В цитируемой работе (Бобков < С.А., 2006) отсутствовало обоснование возможности использовать данное приближение. Экспериментально были достигнуты значения критерия = 0.2, а при' таких значениях критерия влияние сжимаемости на нестационарный компонент давления не является определяющим.

В первой главе данной работы: будет обоснована возможность использовать приближение мелкой воды для нестационарного движения поршня в слое жидкости со свободной поверхностью, будут представлены результаты влияния сжимаемости на нестационарный компонент давления, при значениях определяющего параметра К больше чем 0.2, то есть там, где влияние сжимаемости становиться преобладающим.

Цель работы, излагаемой в первой главе — экспериментальная проверка влияния сжимаемости среды на формирование нестационарного компонента давления при взаимодействии скоростного фронта с препятствием.

Научная новизна работы, описанной в первой главе, заключается в экспериментальном доказательстве влияния сжимаемости на нестационарный компонент давления.

Практическая ценность работы первой главы заключается в том, что результаты исследования могут быть использованы при проектировании масштабных сооружений в береговой зоне и в зонах с порывистым ветром, при лабораторных исследованиях нестационарных процессов в приближении мелкой воды, для описания процессов происходящих в пористых средах с низкой скоростью звука.

Часть 2

Вторая часть диссертационной работы посвящена гравитационным взвесенесущим потокам. Гравитационными потоками называют потоки более плотной жидкости внутри менее плотной. Гравитационные придонные потоки можно разделить на термохалинные и взвесеснесущие (или мутьевые). Термохалинные потоки образуются из воды, имеющей более низкую температуру или более высокую соленость, чем окружающая (фоновая) вода. Во взвесенесущих потоках более высокая плотность достигается наличием внутри потока мелких частиц осадочных пород.

Взвесенесущие потоки активно участвуют в переносе донных осадков, в формировании океанического рельефа и могут достигать масштабов; достаточных для повреждения подводной инфраструктуры.

Взвесенесущий поток, имея более высокую плотность за счет твердых частиц осадочных пород, будет скатываться вниз по склону, но в процессе движения он может начать взмучивать находящуюся на дне взвесь и увлекать ее вместе с собой. С другой стороны частицы находящиеся внутри потока под действием гравитации будут опускаться вниз, на дно. Таким образом^ даже в случае сохранения интегральной массы находящегося в движении потока, каждая конкретная частица донных осадков, будет сперва взмучиваться потоком, потом двигаться вместе с потоком, а потом опускаться обратно на дно. Это похоже на задачу о движении железнодорожной платформы, на которую с одной стороны насыпают, а с другой ссыпают песок с постоянной скоростью.

В случае термохалийнных потоков, как правило, разность плотностей в потоке и фоновой воде мала и эволюция таких течений происходит довольно медленно. Напротив, для мутьевых (взвесенесущих) потоков характерна большая плотность из-за наличия в них большого количества взвешенных частиц: ила, песка и т.п. Вследствие большой разности плотностей, эволюция таких потоков происходит гораздо быстрее, чем в первом случае, и влияние, например, силы Кориолиса не столь заметно, как в случае термохалийнных потоков.

Среди причин, приводящих к возникновению мутьевых потоков в океане, можно перечислить следующие (Анучин В.Н., 1988):

1. Замутнение вод в прибрежной прибойной зоне океана, во время которого замутненные из-за действия прибоя (Пыркин Ю.Г., 1979) прибрежные воды скатываются вниз по материковому склону из-за присутствия в них твердых взвешенных частиц.

2. Вынос реками в океан большого количества воды, замутненной взвешенными частицами. В этом случае образующийся мутьевой поток служит продолжением речного русла (Роге1 Б.А., 1969).

3. Кроме того, катастрофическое смещение масс грунта на крутых склонах во время подводных оползней, землетрясений (Шеппард Ф.П., 1976) или подводных штормов (Контарь Е.А., 1989).

В качестве примера катастрофического потока приведем«, мутьевой поток, возникший после землетрясения 14 сентября 1953 года на архипелаге Фиджи (Шлыгин И.А., 1987). Рассматриваемым потоком был поврежден кабель на протяжении* 110 километров. Он был захоронен на этом отрезке или перемещен на расстояние до 3,7 километра. Силу потока характеризует такой факт: один из проводов, найденных после обрыва, оказался очищенным от изоляции в результате полировки песком.

Эволюция придонных гравитационных потоков исследовалась в работах (Жмур В.В., Ткаченко Б.К., Якубенко М.В., 1998; Жмур В.В., Якубенко М.В:, 2001; Якубенко М.В., 2000) где рассматривалась следующая физическая задача. В начальный, момент времени на наклонном дне находится конечный объем плотной жидкости в окружении более легкой фоновой воды. Под действием силы тяжести более плотная жидкость начинает двигаться вниз по склону. Граница раздела деформируется и образуется пространственная структура внешне очень схожая со снежной лавиной. В передней части образуется скачок, быстро движущийся вниз по склону. Задняя кромка такого образования стоит на месте. Таким образом, по мере продвижения скачка вниз по склону, максимальная толщина образования уменьшается со временем. Когда слой более плотной жидкости станет достаточно тонким, сила трения о дно начнет тормозить поток и в конечном итоге поток, будучи очень тонким, перестанет играть заметную роль в динамике придонного слоя.

В описанном выше сценарии поведения гравитационного потока отсутствуют два очень важных фактора: захват внешней жидкости в поток и вовлечение донных отложений выдвижение. Захват фоновой жидкости'в поток приводит к разбавлению плотной воды потока, при этом избыточная масса потока остается прежней. Скатывающая гравитационная сила также остается- без изменения. Следует ожидать, что скорость фронта такого образования, не зависит от наличия или отсутствия эффекта захвата окружающей жидкости в движение. Действительно, как показали расчеты (Жмур В В., Ткаченко Б.К.,. Якубенко М.В:, 1998), захват фоновой жидкости гравитационным потоком приводит к увеличению объема потока особенно в головной части, но не приводит к увеличению скорости1 его движения.

Вовлечение донных пород в гравитационный поток увеличивает избыточную массу, что приводит к дополнительному ускорению вниз по склону. Если фоновая жидкость не захватывается таким потоком, то такой поток быстрее уменьшается- по толщине, и, как следствие, быстрее гасится трением о дно. Таким образом, жизненный цикл такого образования от зарождения до- угасания укорачивается, но сам процесс движения» интенсифицируется. Если же фоновая жидкость одновременно с донными породами увлекается, в движение, то .такой* поток, как более толстый, испытывает меньшую силу трения о- дно и живет дольше. При этом интенсивность его движения возрастает, т.к. скатывающая сила увеличивается, а сила трения уменьшается. Важность процессов вовлечения донных осадков и одновременно фоновой жидкости в гравитационный поток как причина возникновения катастрофических плотностных потоков обсуждалась в работе (Жмур В.В., Якубенко М.В., 2001). Однако в настоящий момент практически отсутствуют лабораторные исследования особенностей распространения взвесенесущих потоков при активном массообмене с донными осадками.

Интересно отметить, что как в лабораторных экспериментах, так и в теории скорость переднего фронта потока оказалась пропорциональной величине £ Н, где «-угол наклона дна, £ - приведенное ускорение свободного падения, Н - толщина потока, безразмерный коэффициент пропорциональности 9 зависел от интенсивности движения: Для сильных течения он был порядка 0.01 и увеличивался по мере уменьшения интенсивных течений.

В цитированных работах предполагалось, что основными силами, управляющими движением скатывающегося вниз по склону объема более плотной жидкости, являются гравитационная сила (с поправкой на силу Архимеда), направленная вдоль склона вниз и сила трения потока о дно. На начальном этапе движения это действительно так. Но как только поток начнет захватывать большое количество донной фракции и фоновой жидкости, в силу закона сохранения импульса он будет дополнительно тормозиться. В' неподвижной системе координат донные частицы и фоновая жидкость не имели импульса, но, внедряясь в движущийся объем, они приобретали скорость, равную скорости основного потока вдоль дна. Следовательно, взвесенесущий поток тормозится не только силой' трения, но и дополнительной реактивной силой, связанной' с захватом первоначально неподвижных частиц донных фракций и частиц окружающей жидкости. Значит, в режиме быстрого неограниченного роста объема взмученных вод за счет захвата неподвижных частиц, нельзя пренебречь вышеописанным эффектом торможения. Поэтому, для катастрофически интенсивных взвесенесущих потоков, кроме силы трения имеет смысл включить в рассмотрение еще и реактивную силу торможения, в качестве возможно важной силы. Из простых физических соображений не удается сравнить эти силы, теоретический подход возможен только после оценки сил на основе эксперимента.

Основной отличительной особенностью сильных взвесенесущих гравитационных потоков, сравнительно с более медленными течениями, является наличие у первых интенсивного вихря в головной части течения. В упомянутых выше моделях такой вихрь отсутствует. Дело в том, что при построении теории был использован поток массы (проинтегрированная по толщине потока скорость течения). При интегрировании эффект от циркуляционного движения вихря уничтожается, независимо от интенсивности вихря, и в результате остается произведение скорости поступательного движения вихря на его диаметр. В головной части течения от наличия вихря остается некоторое утолщение. В таком подходе искажаются свойства течения, связанные с циркуляционной скоростью головного вихря. Интенсивность движения в. головном вихре превышает интенсивность движения основной части гравитационного течения, иногда это превышение весьма значительное, но в модели это отличие уменьшается.

Благодаря повышенной интенсивности движения головная часть такого гравитационного течения более эффективно захватывает донные частицы, чем другие части потока. Захваченные частицы увеличивают избыточную массу головной» части потока. Какая-то часть частиц из головной части может перейти в основной поток и тоже увеличит его избыточную массу. Таким образом, головной вихрь сам увеличивает и свою избыточную массу, и свой объем, одновременно подпитывая основную часты потока. Если основной поток сам по себе достаточно интенсивный, то он тоже будет захватывать и донные частицы, и окружающую жидкость. Однако этот захват менее интенсивный, чем в головном вихре. Описанный сценарий поведения интенсивного гравитационного потока на наклонном дне может дополняться некоторыми новыми эффектами. Приведем один из них. Повышенная плотность жидкости из-за захваченных частиц в головном вихре может неравномерно распределяться по его объему. Естественно ожидать, что в придонной части вихря захваченных частиц больше чем в вышележащих областях (например, благодаря гравитационному осаждению частиц). Следовательно, на эти придонные слои будет действовать большая скатывающая сила и тогда из придонной части головного вихря вперед может выдвинуться некоторый объем утяжеленной, жидкости, который в виде "языка" будет двигаться у дна впереди вихря.

Вышеописанная динамическая структура головной части* интенсивного взвесенесущего гравитационного придонного потока трудное поддаётся количественному анализу.

Основной целью, данной части работы является построение качественного и количественного описания распространения интенсивного гравитационного потока с учетом активного массообмена с донными осадками

Научная новизна: представлено описание периодически изменяющейся структуры взвесенесущего потока распространяющегося при активном массообомене с донными осадками. Впервые в баланс сил влияющих на распространение взвесенесущих потоков включена реактивная сила сопротивления взмучиваемых донных осадков. Получена аналитическая- формула, связывающая параметры потока со скоростью вовлечения в движение донных осадков

Практическая ценность данных результатов заключается во -первых, в возможности использовать прогнозировать появление и места возможного схода катастрофических взвесенесущих потоков. Во-вторых, для изучения формирования геологической структуры дна и транспорта донных осадков.

Положения и результаты, выносимые на защиту.

1. На основании лабораторного моделирования показана правомочность применения приближения мелкой воды для исследований нестационарного движения в тонком слое жидкости со свободной поверхностью.

2. Ограниченность скорости распространения возмущений в среде может влиять на величину нестационарного компонента давления при превышении критерия сжимаемости среды К>0.2.

3. Взвесенесущий поток, распространяющийся при наличии активного массообмена с донными осадками, имеет периодически перестраиваемую внутреннюю структуру.

4. Получена и экспериментально подтверждена аналитическая формула, связывающая основные параметры взвесенесущего потока, распространяющегося при активном вовлечении в движение донных осадков с 2 и р .

Рг = -——эта. ип Рь

Достоверность положений, выносимых автором на защиту диссертации, обеспечивается согласованностью экспериментальных данных с теоретическими выводами, сделанными из фундаментальных законов сохранения.

Апробацию работа прошла во время докладов на многих представительных международных конференциях. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 6 печатных работ, включая 1 статью в журнале, включенном в список рекомендованных ВАК, вторая публикация принята в печать в журнал из списка рекомендованных ВАК.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Завьялов, Иван Николаевич

Выводы

1. В одномерной постановке, методом характеристик был выведен аналитически и подтвержден экспериментально профиль высоты слоя жидкости со свободной поверхностью, формирующийся перед двигающимся равноускоренно поршнем. Исходя из этого сделан вывод, что при исследовании нестационарного компонента давления в тонком слое жидкости со свободной поверхностью, несмотря на существенное изменение высоты слоя, приближение мелкой воды остается справедливым.

2. В ходе данной работы было установлено, что при достижении безразмерного критерия влияния сжимаемости К=аЯ/с значения 0.35 и более, влияние сжимаемости на нестационарный компонент давления становится преобладающим. При таких значениях критерия для определения величины нестационарного компонента давления может быть использовано приближение сильно сжимаемой жидкости. Для условий при которых критерий К<0.15 сжимаемость практически не влияет на нестационарный компонент давления и его величина может быть вычислена в приближении несжимаемой жидкости.

3. На основании лабораторного моделирования в работе представлено качественное описание периодически повторяющейся структуры взвесенесущего потока, распространяющегося при активном массообмене с донными осадками. Установлено, что распространение потока происходит следующим образом. Из придонной области головной части потока вперед вырывается язык, вероятно имеющий большую плотность, чем весь поток в целом. Затем, активно взмучивая донные осадки, язык увеличивается в размерах и превращается в новую головную часть. Параллельно с ростом языка в «старой» головной части начинает закручиваться вихрь, вовлекающий в движение фоновую жидкость. После формирования новой головной части из языка «старая» головная часть отрывается от потока, а вся захваченная в ней взвесь оседает обратно на дно, а из «новой» головной части вперед потока вырывается новый язык.

4. Впервые в рассмотрение задачи взвесенесущих потоков включена сила реактивного сопротивления вовлекаемых в движение донных осадков. Механизм возникновения данной силы заключается в следующем: когда в основной взвесенесущий поток попадают новые донные частицы или фоновая жидкость, их требуется разогнать до скорости основного потока, из-за чего происходит перераспределение запасенного в потоке импульса.

5. В работе была получена и экспериментально подтверждена аналитическая формула, связывающая основные параметры потока: и 2 пр.

Fr =——sin« Un Рь

Данная формула была получена при следующих допущениях. Во-первых, суммарная масса взвесенесущего потока, распространяющегося при активном массообмене с донными осадками, не претерпевает существенных изменений. Во-вторых, взмучивание донных осадков в головной части потока преобладает над вовлечением в движение фоновой жидкости. В-третьих, интегральные характеристики, описывающие поток, могут быть заменены произведением средних величин. В-четвертых, можно пренебречь силой вязкого трения о дно и фоновую жидкость на фоне силы тяжести и силы реактивного сопротивления взмучиваемых донных осадков.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Завьялов, Иван Николаевич, Москва

1. Айбулатов H.A. 1990. Динамика твердого вещества в шельфовой зоне // Ленинград, Гидрометеоиздат, с. 144-164.

2. Айбулатов H.A., Новикова З.Т., Тримонис Э.С. 1981. Количественные распределение и состав взвеси на шельфе и верхней части Черного моря // Континентальные и островные шельфы (рельеф и осадки). М.: Наука, с. 145.

3. Анучин В.Н. Вихри и турбулентность в придонных плотностных потоках (докт. дис.). Калининград, 1988. 304 с.

4. Анцыферов С.М. 1973. К расчету транспорта наносов неоднородного гранулометрического состава // Океанология, т.13, вып.З, с. 476-483.

5. Анцыферов С.М., Косьян Р.Д., Онищенко Э. 1975. К методике натурных исследований движения взвешенного обломочного материала. // Океанология, т.15, вып.2, с. 296-301.

6. Анцыферов С.М., Косьян Р. Д. 1977. Исследование движения взвешенного обломочного материала в верхней части шельфа мористее зоны валов // Океанология, т. 17, вып.З, с. 497-505.

7. Анцыферов С.М. 1991. Методика наблюдений за взвешенными наносами широкого гранулометрического состава // Океанология, т.31, вып.4, с. 664-670.

8. Баренблатт Г.И. 1978. Динамика турбулентных пятен и интрузии в устойчиво стратифицированной жидкости // Физика атмосферы и океана. - Изд. АН СССР, т. 14, №1, с. 195 - 206.

9. Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К., Табачников В.Г., Крыло в нестационарном потоке газа. -М. наука, 1971.

10. Бобков С.А. Формирование нагрузок при наличии ускорения в средах с конечной скоростью распространения возмущений. работа насоискание степени кандидата физико-математических наук, 2006, Москва.

11. Бурков В. А. Общая циркуляция Мирового океана. Д.: Гидрометеоиздат, 1980. 253 с.

12. Валандер C.B. Лекции по Гидроаэромеханике. Издательство С.-Петербургского университет, 2005г

13. Владимирцев Ю.А. Некоторые вопросы исследования придонного слоя океана. М.: Изд. МГУ, 1970. Вып. 1. С.30-48.

14. Войтов В.И., Соловьев A.B., Ястребов B.C. Гидрофизические исследования придонного слоя океана (обзор)// Океанология. 1989. Т. 29. № 6.с. 885-898.

15. Гриценко В.А. Исследования структуры придонных гравитационных течений (канд. дис.). Калининград, 1984. 135 с.

16. Жмур В.В., Назаренко Д.В. Динамика тонкого слоя жидкости повышенной плотности у наклонного дна // Океанология. 1994. Т. 34. № 2. С. 193-200.

17. Жмур В.В., Назаренко Д.В., Простокишин В.М: Движение конечного объема тяжелой жидкости в придонном слое океана у наклонного дна. Препринт №1. Кафедра термогидромеханики океана. МФТИ, 1994.

18. Жмур В.В., Ткаченко Б.К., Якубенко М.В. Эволюция турбулезированного объема- плотной воды на наклонном дне // Океанология. 1998. Т. 38. № 4. С. 528-539.

19. Жмур В.В., Якубенко М.В 2001. Динамика плотностных потоков на наклонном дне // Изв. А.Н. СССР. Физика атмосферы и океана, Т.37, №4, с. 1-10.

20. Жмур В.В, Сапов Д.А., Нечаев И.Д, Рыжаков М.В, Григорьева Ю.В. 2002. Интенсивные гравитационные течения в придонном слое океана // Известия Академии Наук, Серия физическая. Т.66, №12, с.1721-1726.f Г

21. Зацепин А.Г., Костяной А.Г., Шапиро Г.И. Медленное растекание вязкой жидкости по твердой поверхности // Океанология. 1982. Т. 265. С. 193-195.

22. Зацепин А.Г., Костяной А.Г., Семенов В.И. Осесимметричное плотностное течение на наклонном дне во вращающейся жидкости // Океанология. 1996. Т. 36. № 3. С. 339-346.

23. Зацепин А.Г., Шапиро Г.И. Исследование осесимметричной интрузии в стратифицированной жидкости // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1982. Т. 18. № 1.С. 101-105.

24. Колмогоров А.Н. 1942. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости // Изд. АН СССР. Серия «Физика», Т. 16, № 12, с. 56-58.

25. Контарь Е.А. и др. Измерение течений в придонном слое Средиземного моря // Океанология. 1989. Т. 29. № 6. С. 928-934.

26. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Н.В. Розе «Теоретическая гидромеханика» Часть I 1963.

27. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Теоретическая физика. T.VI, с 42-43. Москва. Наука. 1986г

28. Менард Г.У. 1966. Геология дна Тихого океана. М.: Мир, с. 186.

29. Мурти Т.С. Систематические морские волны цунами. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 447 с.

30. Пыркин Ю.Г. Придонные плотностные течения (докт. дис.). М., 1979. 361 с.

31. Пыхов Н.В. Донный пограничный слой в океане: состояние экспериментальных исследований гидрофизических процессов // Исследование придонного слоя океана буксируемыми аппаратами / Ред. Ястребов B.C. и Парамонов А.Н. М.: Изд-во ИО АН СССР, 1989. С. 8-39.

32. Самолюбов Б.И. Придонные стратифицированные течения. М.: Научный мир, 1999с. 464.

33. Сапов Д. А. Погранслойные течения придонного слоя океана. Геофизические приложения. — работа на соискание степени кандидата физико-математических наук, 2004, Москва.

34. Шеппард Ф.П. Морская геология. JL: Недра, 1976. 488 с.

35. Шлыгин И.А. Популярная гидрометеорология и судовождение. 1987.

36. Штернлихт Д.В. Гидравлика. Книга 3. Москва. Энергоатомизат. 1991.

37. Якубенко М.В. Динамика плотностных потоков на наклонном дне. Дис. на соискание степ, к.ф.-м.н. М., 2000. 140 с.

38. Altinakar, S., Graf, W.H. and Hopfinger, E.J. 1990. Weakly depositing turbidity current on a small slope. // J. Hydraul. Res., vol. 28, p. 55-80.

39. Alahyari, A.A. and Longmire, E.K. 1996. Development and structure of a gravity current head. // Exp. Fluids, vol. 20, p. 410-416.

40. Altinakar, M.S., Graf, W.H. and Hopfinger, E.J. 1996. Flow structure in turbidity currents. // J. Hydraul. Res., vol. 34, p. 713-718.

41. Baker, E.T., Hickey, B.M., 1986. Contemporary sedimentation processes in and around an active west coast submarine canyon.// Mar. Geol. vol. 71, p. 15-34.

42. Bagnold, R. A. 1962. Auto-suspension of transported sediment; turbidity currents. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, vol. 1322, p. 315-319.

43. Bonnecaze, R.T., Huppert, H.E. and Lister, J.E. 1996. Patterns of sedimentation from polydispersed turbidity currents.// Proc. Roy. Soc. London A, vol. 452, p. 2247-2261.

44. Bonnefile, R. and Goddet, J. 1959. E'tude des courants de densite' en canal. // In: Proceedings of the Eighth Congress of IAHR, 2C/D, 14-C-1-14-C-29.

45. Bouma, A. H. 1962. Sedimentology of Some Flysch Deposits: A Graphic Approach to Fades Interpretation,// Elsevier, Amsterdam.

46. Britter R.E., Linden P.F. The Motion of a Front of a, Gravity Current Traveling Down an Incline // J. Fluid Mech. 1980. V. 99. P. 531-543.

47. Brars, B. and.Eidsvik, K.J. 1992; Dynamic Reynolds stress modeling of turbidity currents. // J: Geophys. Res., vol. 97, p. 9645-9652.

48. Carpenter, R., Peterson, M.L., Bennett, J.T., 1982. 21 OPb-derived sediment accumulation and mixing rates for the Washington continental slope. // Mar. Geol. vol. 48, p. 135-164.

49. Chikita K. 1989: A field- study on turbidity currents initiated from spring runoffs.//Water Resour. Res., vol. 25vp. 257-271.

50. Dade, W.B. and Huppert, H.E. 1994. Predicting the geometry of channelized deep-sea turbidites. // Geology, vol. 22, p. 645-648.

51. Drake, D.E., Gorsline, D.S., 1973. Distribution and transport of suspended particulate matter in Hueneme, Redondo, Newport and La Jolla submarines canyons.// Geol. Soc. Am. Bull. vol. 84, p. 3949-3968.

52. Durrieu de Madron, X., 1994. Hydrography and nepheloid structures in the Grand-Rhone canyon. // Cont. Shelf Res. vol. 14, p. 457-477.

53. Eidsvik, K.J. and Brars, B. 1989: Self-accelerated turbidity current prediction based upon (k-e) turbulence. // Cont. Shelf Res., vol. 9, p. 617627.

54. Ellison T.H., Turner J.S. Turbulent Entrainment in Stratified Flows //J: Fluid Mech. 1959. № 6. P. 423-448.

55. Fan, J. 1986. Turbid density currents in reservoirs. // Water Int., vol. 11, p. 107-116.

56. Forel F.A. Le Leman: Monographic Limnologique. Reprinted Gebeva, Slattine Reprints, 1969.

57. Fukushima, Y., Parker, G. and Pantin, H.M. 1985 Prediction of ignitive turbidity currents in Scripps Submarine Canyon. // Mar. Geol., vol. 67, p. 55-81.

58. Garcia, M. and Parker, G. 1989. Experiments on hydraulic jumps in turbidity currents near a canyon-fan transition. // Science, vol. 245, p. 393-396.

59. Garcia, M. and Parker, G. 1993. Experiments on the entrainment of sediment into suspension'by a dense bottom current. // J. Geophys. Res., vol. 98, p. 4793-4807.

60. Garcia, M.H. 1993. Hydraulic jumps in sediment-driven bottom currents. // J. Hydraul. Eng., vol. 119, p. 1094-1117.

61. Garcia, M.H. 1994. Depositional turbidity currents laden with poorly sorted sediment. //J. Hydraul. Eng., vol. 120, p. 1240-1263.

62. Gardner, W.D., 1989a. Baltimore canyon as a modern conduit of sediment to the deep sea. // Deep-Sea Res. vol. 36, p. 323-358'.

63. Gardner, W.D., 1989b. Periodic resuspension in Baltimore canyon focusing of internal waves. // J^ Geophys. Res. vol. 94, p. 18185-18194:

64. Heesen B.C., Ericson D.Bi, Ewing M. Further evidence for a turbidity current following the 1929 Grand Banks earthquake // Deep-Sea Res. 1954. № 1. P. 193-232.

65. Heesen B.C., Ewing M., Ericson D.B.I954. Further Evidence for a Turbidity Current Following the 1929 Grand Banks earthquake // Deep-Sea Res., №1, p. 193-232.

66. Heezen, B. C. and Ewing, W. M. 1952. Turbidity currents and submarine slumps, and the 1929 Grand Banks earthquake. // American Journal of Science, vol. 250, p. 849-873.

67. Heezen, B.C., Menzies, R.J., Schneider, E.D., Ewing, W.M., Granelli, N.C.L., 1964. Congo submarine Canyon. // AAPG Bull. vol. 48, p. 11261149. .70