Колебательные процессы в открытых водных потоках

Илларионов, Александр Васильевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Колебательные процессы в открытых водных потоках
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Колебательные процессы в открытых водных потоках"

Министерство образования РФ Российский государственный гидрометеорологический университет

На правах рукописи УДК 556.536

Илларионов Александр Васильевич

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОТКРЫТЫХ ВОДНЫХ

ПОТОКАХ

Специальность 25.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

------АВТОРЕФЕРАТ------

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Российском гидрометеорологическом университете

государственном

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.В. Коваленко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор И.А. Степанюк кандидат технических наук

Ведущая организация: Государственный гидрологический институт

Защита диссертации состоится "И" декабря 2003 г. в 15ш часов на заседании специализированного совета Д.212.197.02 Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан "10" ноября 2003 г.

Н.Р. Грачев

кандидат географических наук'

Ученый секретарь специализир

Воробьев В.Н.

^ооУ-А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В 60-е годы прошлого века в научно-технической литературе появились публикации, указывающие на то, что в безнапорных потоках могут наблюдаться низкочастотные колебания средней по сечению скорости с периодом примерно 10-30 минут.

Изучение таких колебательных явлений, наблюдающихся при определенных условиях в открытых водных потоках, является одной из важных задач речной гидрометрии и гидравлики. Длиннопериодные колебания скоростей во времени делают неэффективными все ускоренные измерения расхода, и, следовательно, существенно влияют на вопросы гидрометрического учета стока. Особенно это актуально для горных рек, на которых более ярко выражены подобные колебания, а измерения расхода стараются проводить ускоренными методами, в частности, с помощью ультразвука или способом ионного паводка.

Еще одно практическое приложение решения данной задачи -это возможная связь колебаний скорости потока с возникновением различных типов руслового процесса.

Вместе с тем проведение исследований колебательных процессов на естественных водотоках требует значительных финансовых затрат, особенно при синхронном наблюдении за состоянием подвижного дна. Отсюда следует, что существует необходимость в создании инструментальной базы и методики автоматизации исследования этих явлений.

Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка информационно-измерительного комплекса (ИЙК) и проведение с его помощью экспериментальных исследований в открытых потоках, позволяющих выделять статистически значимые низкочастотные колебательные процессы.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи: создан ИИК, содержащий уровнемер, уклономер.

• измеритель скорости, систему сбора и передачи информации на базе микропроцессора АТ89С2051 ;

• проведены эксперименты в натурных и лабораторных условиях в широком диапазоне изменения гидравлических характеристик и обобщенных переменных, представленных числами Рейнольдса и Фруда;

• применены современные методы статистической обработки измерительной информации, включая метод фазовой плоскости для исследования квазипериодических аттракторов, и проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных с существующими теоретическими результатами.

Методика исследований и исходный материал. Решение поставленных задач проводилось, в основном, в режиме активного эксперимента в лабораториях водных исследований РГГМУ (ЛГМИ) и ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Кроме этого, выполнены натурные наблюдения на р. Оккервиль (Веселый Поселок) и ручье Красном (п. Даймище).

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками выделенных периодов низкочастотных колебаний (обработка результатов измерений осуществлялась с помощью стандартного пакета статистической обработки информации Statistica - версия 6.0, а также приложения Microsoft Excel 2002 - версия 10.0), совпадением на достаточно высоком уровне статистической значимости экспериментальных и теоретических результатов, а также авторскими свидетельствами на изобретения.

Научная новизна работы. В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

. • разработан ИИК, некоторые компоненты которого защищены патентами;

• в режиме активного эксперимента установлены условия

• возникновения низкочастотных колебательных процессов, которые подтверждают вывод теории о том, что они возможны (наблюдаемы) только в неравновесном состоянии потока;

• впервые в экспериментальной гидравлике безнапорных потоков применен метод фазовой плоскости, который позволил оценить поведение квазипериодических аттракторов в условиях неравновесного режима, что совпало с существующими на сегодняшний день выводами теории частично инфинитного моделирования.

Практическая значимость результатов исследований. Использование информационно-измерительного комплекса при проведении гидравлических экспериментальных работ позволяет осуществлять постановку экспериментов в активном режиме с интерпретацией результатов в реальном масштабе времени как в лабораторных условиях, так и в рамках натурных исследований на открытых водотоках. В последнем случае особую практическую значимость приобретает возможность непосредственной трансляции получаемых данных в персональный компьютер, что позволяет при наличии возможных на сегодняшний день различных беспроводных каналов связи передавать информацию практически на любой доступный компьютерный терминал.

В процессе выполнения работы изучены особенности статистического выделения периодических колебаний скорости малой амплитуды на фоне турбулентного шума, что позволяет повысить точность гидрометрического учета стока при использовании ускоренных методов измерений.

Разработанный автором информационно-измерительный комплекс является многофункциональным и нашел применение при решении ряда задач гидравлики и гидрометрии (измерение параметров неустановившегося движения, измерение расхода методом ионного

паводка и др.), а также в учебном процессе по курсам гидравлики и гидрометрии.

Работа частично выполнялась в рамках грантов кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГГМУ "Нелинейные аспекты частично инфинитного моделирования гидрометеорологических процессов" и "Частично инфинитное моделирование и прогнозирование процесса формирования речного стока", финансируемых Министерством образования Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на V Всесоюзном гидрологическом съезде (1986 г., Ленинград), итоговой сессии ученого совета РГГМУ (2003 г.), научных семинарах кафедры гидрофизики и Гидропрогнозов и кафедры гидрометрии РГГМУ, кафедры гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного университета.

По теме диссертации опубликовано пять работ и получено одно авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 39 источников, и приложений. Основное содержание работы изложено на 105 страницах (не считая приложений), включая 37 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, отмечена ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены информация о структуре диссертации и апробации ряда полученных: результатов.

В первой главе дается обзор существующих натурных исследований колебательных процессов в открытых водных потоках и попыток их теоретического объяснения.

В 1959 -1961 гг. Государственный гидрологический институт на базе Среднеазиатской экспедиции проводил широкомасштабное исследование пульсаций скорости течения применительно к задачам

речной гидрометрии: выяснение их влияния на точность измерения средней скорости на вертикали и расхода воды в целом. Исследования проводились на 32 горных реках. Обобщение и анализ результатов этих исследований были выполнены В. В. Дементьевым.

Анализируя материалы полевых измерений, он обратил внимание на то, что при достаточно большом временном осреднении выделяются регулярные низкочастотные периодические колебания, которые уже нельзя назвать пульсациями. Периоды этих колебаний на разных водотоках изменялись в интервале от 1 - 3 мин до 40 - 50 мин, при высокой коррелируемости между скоростями в разных точках живого сечения.

Кроме того, низкочастотные колебания скоростей и расходов наблюдались С.А. Коплан-Диксом при синхронных измерениях скоростей на реке Полометь.

Имеются данные о колебаниях расхода на реке Темзе, зафиксированные ультразвуковым методом.

На реке Тверце также выделены длиннопериодные колебания, причем на разных вертикалях они имеют близкие периоды, отличающиеся друг от друга на величину, не превышающую 10 - 15 %, т. е. имеет место периодичность изменения средней по сечению скорости.

Колебания скорости изучались и в лабораторных условиях. Результаты исследований низкочастотной периодической составляющей в гидравлических лотках лабораторий Ленинградского гидрометеорологического института (сейчас Российский государственный гидрометеорологический университет), Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева, а также данные натурных исследований приведены в таблице 1.

В научной литературе опубликованы различные трактовки природы этих колебаний. Попытки дать их теоретическое объяснение с позиций турбулентности сводятся в основном к тому, что по руслу движутся

большие вихри, соизмеримые с геометрическими размерами потока, причем масштаб таких вихрей зависит и от величины средней скорости.

Таблица 1 - Результаты выделения низкочастотной периодичности по лабораторным и натурным измерениям

Место, время измерения . Выде ленный период колебаний, мин Основные гидравлические характеристики Пример ная оценка расч. периода мин

Глубина Н, м Ширина В, м Скорость V, м/с Укл. водн. пов. I, %0 Укл. дна /0, %0

р. Угам-с. Ходжикент, 1959-1961 25 1.75 20 1.20 □ п 20

р. Уджи 10, 15 2.0 100 1.28 0.26 □ 20

р. Темза-С-К, 13.09.73 г. 90 2.0 35 0.02 □ □ 118

руч.Красный п.Даймище* 01.11.03 г. 1.5 0.14 2.2 0.2 3.0 0.5 1.8

Лаборатория ЛГМИ* 1.5 0.07 0.37 0.23 2.0 0.0 1

— 0.10 0.37 0.10 0.0 1.8 □

2.0 0.09 0.38 0.30 15 2.2 0.4

2.3 0.10 0.38 0.35 □ □ 1.2

Лаборатория внииг им. Б. Е. Веденеева* 3.5 0.35 1.0 0.10 0 2.0 2.0

3.5 0.35 1.0 0.10 0.2 2.0 2.0

2.5 0.56 1.0 0.28 0.6 2.0 2.0

Р- Оккервиль-Веселый Поселок*, 26.05.83 г. Примечание -автора 18 0.70 8.0 0.50 — —• 12

18 *результа' 0.80 гы полу1 12 1ены пр1- 0.2 непоср □ едствеш □ юм уча( 33 ггии

При этом период времени между прохождением через данное сечение двух последовательных больших вихрей по К.В. Гришанину в равнинных речных потоках имеет значения равные 10 - 100 с. В горных же реках в силу больших скоростей и малых глубин эта величина принимает еще меньшие значения.

Существует еще один взгляд на природу колебаний гидравлических характеристик открытых водных потоков. Он заключается в принятии гипотезы о возможности возникновения в них автоколебаний. Эти идеи высказывались В.М. Маккавеевым, однако первопричиной возникающих колебаний он считал турбулентность.

К подобному явлению проявляли интерес И.Ф. Карасев, А.Н. Ляпин, Н.Р. Грачев.

Изложенные выше точки зрения на теоретическое объяснение природы колебательных явлений в открытых водных потоках бесспорно вносят некоторую ясность в понимание сущности явления, но, к сЬжалению, не дают никаких общих подходов к оценке параметров длиннопериодных колебаний, т. е. колебаний, период которых нельзя объяснить геометрическими размерами потока.

Иной взгляд на природу длиннопериодных колебаний скорости предложен В.В. Коваленко. Аппроксимируя систему уравнений Сен-Венана системой обыкновенных дифференциальных уравнений и, используя для этого метод прямых, он приходит к обобщенному уравнению Риккати:

dq/dt = mx0,t)q2 +/2(-г0,/)£+/з(.го,о, (1)

где /,(*„,0 ; /2(.г0,0 = 2о/г—;=

х0 - координата гидроствора, в котором предполагается известным морфометрия, уклон водной поверхности, уровень;

/ - время;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;

Р — площадь живого сечения, м2;

К- пропускная способность русла, м3/с;

а - коэффициент неравномерности распределения скорости по живому сечению;

I - уклон водной поверхности; - расход, м3/с.

С использованием ряда известных математических преобразований выражение (1) приводится к линейному уравнению второго порядка,

,у'-Щ(1)у = 0, (2)

где у - новая переменная, связанная с расходом или средней по сечению скоростью;

-гтт

Колебательный характер решения (2) определяется знаком Щ (/) • При щ (/) > о колебательное решение отсутствует. Поскольку основным слагаемым в выражении для является ^ (?)/,(/); то

указанное неравенство практически всегда выполняется. Однако если рассматривать модель' для отклонения расхода ц от квазиустановившегося значения QQ и принять Э{2о /Э/ <<:дс]/д1 > то получим подобное (2) уравнение второго порядка. В нем основное слагаемое (I-i0)g2/C2R коэффициента Л,*(/), аналогичного по своей природе ^ ^, допускает колебательное решение. При этом период колебаний расхода в створе определяется формулой

Г~2яСЯ05ДГ(/-/0)05, где Т- период колебаний, с;

С- коэффициент Шези, м^/с;

Л - гидравлический радиус, м;

I- уклон дна.

Вторая глава посвящена описанию информационно-измерительного комплекса (ИИК) и узлов, входящих в его состав.

Комплекс обеспечивает долговременное измерение и регистрацию гидравлических параметров с графическим отображением их динамики на экране монитора в реальном масштабе времени. Структурная схема ИИК показана на рисунке № 1.

н 1 —1— КОМ с- 1 1 1 1 1

1 f =\=г> 1 МП «-I- 1 1 ■-

V 1 1 —1- 1 1

1 1

Н- модуль уровнемера; / -модуль уклономера; V- модуль измерителя скорости потока; ССПИ - система сбора и передачи информации; КОМ - коммутатор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МП - микропроцессор Рисунок 1 - Структурная схема информационно-измерительного

комплекса

Основные технические характеристики ИИК: • примененный микропроцессор обеспечивает коммутацию датчиков и трансляцию измерительной информации в компьютер с помощью последовательного интерфейса RS-232 со скоростью 115 кбит/с;

• число аналоговых входов - 8;

• число частотных входов - 1;

• разрядность АЦП - 10;

• уровень входного сигнала +2 В;

• энергонезависимая память 16 ячеек по 960 отсчетов;

• частота опроса измерительных каналов 0.1 - 6 с;

• предусмотрено отображение состояния устройства и текущего значения измерительной информации на встроенном алфавитно-цифровом дисплее;

• погрешность измерения:

1) уровня 1 %;

2) скорости 3 %;

3) уклона 10 %;

• напряжение питания +6 В;

• потребляемая мощность 0.5 Вт.

Работает система следующим образом. При включении питания происходит инициализация СОМ-порта компьютера сигналом, поступающим от микропроцессора. После прохождения процедуры тестирования программы пользователю предоставляется возможность выбора режима работы и интервала дискретизации. Далее начинается циклический опрос измерительных каналов и трансляция информации в память компьютера. Процесс поступления данных может отображаться графически на экране дисплея в реальном масштабе времени. После завершения работы программы информация сохраняется в текстовом файле с расширением *.hex.

При необходимости возможен автономный режим работы с записью информации во внутреннюю энергонезависимую память прибора и последующей ее трансляцией в компьютер. Управление режимами работы может осуществляться как с клавиатуры ЭВМ, так и с пульта прибора.

Измерение уровня водной поверхности

При разработке Данного комплекса автором были изготовлены и опробованы приборы, основанные на емкостном, акустическом и гидростатическом принципах измерения уровня. Исследования показали, что наиболее оптимальным для решения подобных задач является гидростатический способ, а именно барботажньга уровнемер.

В его конструкции был применен высокоточный датчик относительного давления фирмы "Motorola" MPX2010D. Погрешность измерения давления таким датчиком в диапазоне от 0 до 100 кПа составляет 1 %; вариацией плотности воды ввиду ее очень малого значения можно пренебречь.

Измерение скорости водного потока

Для измерения скорости потока в работе используется модифицированный вариант вертушки ГР-96. Основная идея модификации состоит в увеличении числа радиальных Прорезей в диске-прерывателе (количестве генерируемых импульсов за один оборот).

Измерение уклона водной поверхности

Надежный и дешевый способ измерения уклона водной поверхности - определение перепада уровней с помощью водомерных устройств при известном расстоянии между ними. В условиях лаборатории такими устройствами являются шпиценмасштабы, основным недостатком которых является невозможность автоматизации измерений. Если на естественных водотоках вопрос автоматизации может быть решен путем регистрации уровней в измерительных створах с помощью самописцев, то в лаборатории, где перепады уровней на измерительной базе могут быть менее 1 мм, такой подход невозможен. Для проведения исследований был разработан дифференциальный манометр, позволяющий измерять малые перепады давлений (уровней).

Создание подобного автоматизированного информационно-измерительного комплекса позволило решить ряд сложных задач по

регистрации гидравлических характеристик как в условиях жесткого русла, так и в потоках с деформируемым дном:

• проведение серии измерений в режиме активного эксперимента в широком диапазоне гидравлических параметров;

• синхронные долговременные наблюдения сразу за несколькими важными гидравлическими характеристиками (скоростью, уровнем и уклоном);

• проведение измерений в условиях автономного режима работы, что особенно важно при натурных исследованиях на открытых водных потоках, когда отсутствует сетевое энергопитание;

• непосредственный анализ информации с помощью персонального компьютера с возможностью быстрой передачи полученных данных другим пользователям.

В третьей главе приводится описание экспериментов по изучению колебательных процессов, методики обработки экспериментальных данных и анализ полученных результатов.

В качестве экспериментальной площадки был выбран гидравлический лоток длиной 12 метров и шириной 0.42 метра. Последний оборудован устройством, позволяющим изменять уклон дна в диапазоне от минус 4 до плюс 8 %о, подвижной тележкой для размещения измерительной аппаратуры, устройствами задания расхода и формирования подпора.

Параметры потока контролировались с помощью разработанного автором информационно-измерительного комплекса. На рисунке 2 показана схема экспериментальной установки.

Установка включена в систему замкнутого водоснабжения лаборатории водных исследований РГГМУ. Вода в лоток подается из напорного бака, оборудованного автоматическим сбросом и имеющего двухметровое превышение над оголовком лотка.

1 - водосборный резервуар; 2 - напорный резервуар; 3 - насос; 4 -задвижка; 5 - подвижная тележка; 6, 7 - микровертушки; 8 -уровнемер; 9-уклономер-дифманометр; 10-жалюзи; 11 - холостой

сброс

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки

Экспериментальные исследования состояли из двух этапов.

На первом этапе было выбрано местоположение измерительного (основного) створа, которое с учетом характера движения воды в лотке, обеспечивает автомодельность величины уклона по отношению к длине базы измерения при различных гидравлических режимах. Этот створ оказался в 6 метрах от входа в лоток. Кроме того, была отработана методика измерений, заключавшаяся в выборе продолжительности эксперимента и установлении частоты дискретизации. Также на первом этапе проведено- исследование собственных колебаний и шумов гидравлической установки. Собственная частота установки изучалась путем долговременной регистрации скорости на входе в лоток, где процесс автоколебаний, в смысле понимаемом в настоящей работе, не может развиваться. На этом этапе было проведено девять опытов.

На втором этапе проводилось исследование существования в измерительном створе (в широком диапазоне чисел Рейнольде а Яе и Фруда Рг при различных гидравлических условиях) колебаний скорости с периодом, близким к теоретическому. Всего на втором этапе выполнено 22 эксперимента, причем в семи случаях проводились синхронные измерения уровня. Продолжительность экспериментов варьировалась от 10 мин до 2 часов, что обеспечило высокую статистическую надежность результатов.

Полученные данные обрабатывались и анализировались с помощью стандартного пакета обработки статистической информации 31а115Иса (версия 6.0). Основной целью анализа экспериментальных данных являлось установление наличия или отсутствия в зарегистрированных хронограммах скорости низкочастотной периодической составляющей, с периодом близким к рассчитанному по формуле (3).

На начальном этапе анализа рядов экспертно (на основании физических закономерностей) выделялись и заменялись средним значением аномальные выбросы. При дальнейшей обработке удалялся тренд и ряд нормировался. Подавление высокочастотных помех осуществлялось методом экспоненциально взвешенного сглаживания.

Для всех полученных в результате экспериментов временных рядов колебаний скорости были рассчитаны гистограммы плотности распределения и спектральные плотности, а также построены сглаженные хронограммы. При этом для сглаживания значений спектральной плотности применялось окноХемминга, рекомендуемое разработчиками данного статистического пакета.

Анализ спектральных характеристик колебаний скорости, зафиксированных на входе лотка, показал, что порядок значимых (при доверительной вероятности 0.05) периодов находится в интервале от 15 до 125 с, при этом спектральные характеристики при стягивании спектрального окна оказывались неустойчивыми.

В створе было проведено 22 эксперимента, при значениях разности уклона водной поверхности и уклона дна I-10 от 0.5 до 10 %о, числах Рейнольдса Яе от 7900 до 44200 и числах Фруда Рг от 0.01 до 0.76.

Результаты экспериментов, проведенных в измерительном створе, распались на три группы.

Первая группа - эксперименты, в которых колебания скорости имели статистически значимый период, совпадающий с теоретическим с погрешностью не превышающей 50 %. В данном сЛучае все спектральные плотности колебаний скорости имели ярко выраженные пики и в шести случаях из девяти наблюдались устойчивые двухмодальные гистограммы плотности распределения вероятности. Всего таких экспериментов оказалось девять, причем значения / - /о изменялись от 1 до 3.2 %о.

Вторая группа - эксперименты, в которых не был выделен статистически значимый период, совпадающий с расчетным. Картина, наблюдаемая в этой группе опытов, не столь однозначна, как в первом случае. Для данной серии экспериментов характерны малые значения разности уклона дна и уклона водной поверхности I - ¡о- С этим связано снижение поступления энергии, расходуемой на образование колебаний, что естественно ведет к понижению их амплитуды, и как следствие, уменьшению отношения сигнал/шум. Последнее обстоятельство естественно сказывается на надежности определения статистических характеристик. Характерной особенностью спектральных плотностей, рассчитанных для этой группы экспериментов, является наличие пиков, превышающих уровень значимости, но ширина их больше, чем спектральное окно. Такие пики порождены случайным узкополосным процессом. Всего таких экспериментов было шесть, значения разности уклонов дна и водной поверхности изменялись от 0.5 до 1.5 %о.

Третья группа - эксперименты (всего их семь), результаты которых требуют специальных комментариев. В данном случае

подробный анализ экспериментальных данных показал, что три раза имело место нарушение работы измерительной аппаратуры. В четырех случаях измерения проводились при гидравлических условиях, соответствующих теоретическим периодам колебаний скорости составляющим 65 - 90 с. Колебания скорости с такими периодами были зафиксированы на входе в лоток. Кроме того, в пяти случаях при стягивании спектрального окна спектр оказался неустойчив.

Некоторые характерные результаты экспериментов представлены в таблице 2 и на рисунках 3,4.

Таблица 2 - Расчетные характеристики временных колебаний скорости (при расчетах принимался коэффициент Шези С = 40 м°'5/с)

№ экспе ри мента Число Фруда Рг Число Рей нольд са И.е Укл. водн. поверх ности /-/'„,%о Функция распре деления Тр (по фор муле 3),с Тизм, с

створ, период выделен

10 0.25 26300 3.0 ЛНА 125 190

24 0.22 28200 3.0 гЛНА 130 250

25 0.22 28200 3.0 гШ1 130 230

30 0.11 24200 3.2 гЛЫ! 140 120

___ _ _ створ, период не выделен

13 0.02 15900 0.5 гтЛПУ. 410 40/185

21 0.05 7900 1.0 ггЛИтп 190 100

31 0.04 19100 0.8 аШъ 300 70/130/50

вход в лоток (оголовок)

1 — — — ггтт, — 30/60

3 — — — гНТП, — 50/60/100

17 — — — — 125

0,16 МТС 0,15

0,14

0,13

0,12

-г-

-1-1

0 200 400 600

800 / _

1000 1200 1400 С 1600

5,0 4,0 3,0 2 р 1,0 0,0

0,4

|0,3 0,2 о. 0,1 0.0

р = 0.05

I 1

1 1

10 20

30 Т-

40 60 с

н=

0,11 0,12

0,14

0,15 м/с 0,16

Рисунок 3 - Хронограмма V, спектральная плотность б и гистограмма р колебаний скорости потока (эксперимент № 13)

0,46

м/с 0,44

0142

0,40

0,38

0,36

1000

2000

3000 г _

4000

5000

6000

14,0

240

0,35

0,37

0,40

0,4 2

0,44 м/с 0,46

Рисунок 4 - Хронограмма V, спектральная плотность й и гистограмма р колебаний скорости потока (эксперимент № 25)

Для нескольких экспериментов с целью изучения процесса на фазовой плоскости построены диаграммы рассеяния. Эти диаграммы визуализируют зависимость между двумя переменными, в нашем случае скоростью V и уровнем Н, причем характер траекторий, возникающих на фазовой плоскости вполне однозначно свидетельствует о характере процесса - либо процесс стремится к предельному циклу со-притягивающих множеств (замкнутые траектории свидетельствуют о наличии колебательных явлений), либо нет. На рисунке 5 представлен фазовый портрет квазипериодического аттрактора, построенный в относительных единицах по опытным данным одного из экспериментов (№ 25).

V->.

Рисунок 5 - Фазовой портрет квазипериодического аттрактора

В заключении сформулированы основные результаты исследований:

1. Разработан информационно-измерительный комплекс, включающий уровнемер, уклономер и измеритель скорости, который позволяет автоматизировать гидравлические исследования колебательных процессов в открытых водных потоках в реальном масштабе времени;

1. Результатами исследований как в натурных, так и в лабораторных условиях в широком диапазоне значений обобщенных переменных подтверждается наличие низкочастотных колебаний безнапорных потоков (экспериментальные данные получены вместе с Шиловым Д.В.);

2. В режиме активного лабораторного эксперимента выявлены условия физического и экспериментального (точностного) характера, при которых возможна идентификация низкочастотных колебательных процессов; с высокой степенью статистической надежности подтвержден существующий теоретический вывод о том, что они возможны только в неравновесном состоянии открытого потока;

3. Впервые в экспериментальной гидравлике безнапорных потоков применен анализ низкочастотных колебательных процессов на фазовой плоскости, который позволил визуализировать двумерные проекции квазипериодичсских аттракторов в условиях неравновесного режима, ранее теоретически установленные методами частично инфинитного моделирования.

В приложении представлены материалы технических подробностей эксплуатации разработанного ИИК, распечатки программ, результаты расчетов периодов колебаний, справка о внедрении результатов исследовании и т.п. — — — —

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. A.c. 636479 (СССР). Устройство для измерения продольного уклона

свободной поверхности водотока/Ленингр. гидрометеор, ин-т. -Заявл. 16.06.77, № 2486983/18-10. Опубл. в Б.И., 1978, № 45, МКИ G01C13/20 УДК 532.574.5 (088.8) (в соавторстве с Коваленко В.В. и др.).

2. Экспериментальное исследование автоколебаний безнапорных потоков//Динамика русловых потоков. - Л.: Изд. ЛПИ, 1987. - 138 с. (в соавторстве с Коваленко В.В., Сало Ю.А).

К автоматизации экспериментальной проверки решений динамико-статистических моделей речной гидрометрии//Труды V Всесоюзного гидрологического съезда. Т.З. - Л. - 1988. - 518 с. (в соавторстве с Коваленко В.В.).

Информационно-измерительный комплекс для экспериментальных исследований квазипериодических явлений в открытых водных потоках. Электронный журнал «Исследовано в России», 164, стр. 1985-1995, 2003 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articlcs/2003/164.pdf Экспериментальное исследование автоколебаний открытых потоков Электронный журнал «Исследовано в России», 165, стр. 1996-2004, 2003 г. http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2003/165.pdf (в соавторстве с Шиловым Д.В.).

Автоматизация экспериментальных исследований колебательных процессов в водных потоках//Материалы итоговой сессии ученого совета. Часть 1. Секция метеорологии и гидрологии. - СПБ.: изд-во РГГМУ, 2003. С. 84.

Подписано в печать с оригинал-макета Отпечатано в ООО «Дарин» Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1.25 Тир. 100. Зак. № 165.

Отпечатано с готового оригинал-макета

ЛР№ 020309 от 30.12.96

Q.OO? -I\

P17896

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Илларионов, Александр Васильевич

Введение.

1 Анализ существующих результатов исследований низкочастотных колебательных процессов в открытых потоках.

1.1 Обзор существующих натурных исследований колебательных процессов в открытых водных потоках.

1.2 Теоретические объяснения колебательных процессов в открытых водных потоках.

1.3 Постановка задачи.

2 Информационно-измерительный комплекс (ИИК).

2.1 Общая характеристика ИИК.

2.2 Измерение уровня воды.

2.3 Измерение скорости водного потока.

2.4 Измерение уклона водной поверхности.

2.5 Выводы.

3 Экспериментальные исследования колебательных процессов в открытых водных потоках.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований.

3.3 Методика обработки экспериментальных данных.

3.4 Анализ экспериментальных данных.

3.5 Анализ процессов на фазовой плоскости и обобщение результатов по выявлению низкочастотной периодичности.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Колебательные процессы в открытых водных потоках"

Актуальность темы

В 60-е годы прошлого века в научно-технической литературе появились публикации, указывающие на то, что в безнапорных потоках могут наблюдаться низкочастотные колебания средней по сечению скорости с периодом примерно 10-30 минут.

Еще одно приложение практического решения данной задачи - это возможная связь колебаний скорости потока с возникновением различных типов руслового процесса.

Вместе с тем проведение исследований колебательных явлений на естественных водотоках требует значительных финансовых затрат, особенно при синхронном наблюдении за состоянием подвижного дна. Отсюда следует, что существует необходимость в создании инструментальной базы и методики исследования этих явлений.

Цели и задачи исследования

Целью работы является разработка информационно-измерительного комплекса (ИИК) и проведение с его помощью экспериментальных исследований в открытых потоках, позволяющих выделять статистически значимые низкочастотные колебательные процессы.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

• создан ИИК, содержащий уровнемер, уклономер, измеритель скорости, систему сбора и передачи информации на базе микропроцессора АТ89С2051;

Методика исследований и исходный материал

Решение поставленных задач проводилось, в основном, в режиме активного эксперимента в лабораториях водных исследований РГГМУ (ЛГМИ) и ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Кроме этого, выполнены натурные наблюдения на р. Оккервиль (Веселый Поселок) и ручье Красном (п. Дай-мище).

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками выделенных периодов низкочастотных колебаний (обработка результатов измерений осуществлялась с помощью стандартного пакета статистической обработки информации Sta-tistica - версия 6.0, а также приложения Microsoft Excel 2002 - версия 10.0), совпадением на достаточно высоком уровне статистической значимости экспериментальных и теоретических результатов, а также авторскими свидетельствами на изобретения.

Научная новизна работы

В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

• разработан ИИК, некоторые компоненты которого защищены патентами;

• в режиме активного эксперимента установлены условия возникновения низкочастотных колебательных явлений, которые подтверждают вывод теории о том, что они возможны (наблюдаемы) только в неравновесном состоянии потока;

Практическая значимость результатов исследований

Использование информационно-измерительного комплекса при проведении гидравлических экспериментальных работ позволяет осуществлять постановку экспериментов в активном режиме с интерпретацией результатов в реальном масштабе времени как в лабораторных условиях, так и в рамках натурных исследований на открытых водотоках. В последнем случае особую практическую значимость приобретает возможность непосредственной трансляции получаемых данных в персональный компьютер, что позволяет при наличии возможных на сегодняшний день различных беспроводных каналов связи передавать информацию практически на любой доступный компьютерный терминал.

Разработанный автором информационно-измерительный комплекс является многофункциональным, и нашел применение при решении ряда задач гидравлики и гидрометрии (измерение параметров неустановившегося движения, измерение расхода методом ионного паводка), а также в учебном процессе по курсам гидравлики и гидрометрии.

Работа частично выполнялась в рамках грантов кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГГМУ "Нелинейные аспекты частично инфинитного моделирования гидрометеорологических процессов" и "Частично инфи-нитное моделирование и прогнозирование процесса формирования речного стока", финансируемых Министерством образования Российской Федерации.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на V Всесоюзном гидрологическом съезде (1986 г., Ленинград), итоговой сессии ученого совета РГГМУ (2003 г.), научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов и кафедры гидрометрии РГГМУ, кафедры гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного университета.

Публикации

По теме диссертации опубликовано пять работ и получено одно авторское свидетельство.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 39 источников, и приложений. Основное содержание работы изложено на 105 страницах (не считая приложений), включая 37 рисунков и 4 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Илларионов, Александр Васильевич

Заключение

По результатам выполненной работы можно сформулировать основные выводы и положения, которые выносятся на защиту:

2. Результатами исследований как в натурных, так и в лабораторных условиях в широком диапазоне значений обобщенных переменных, подтверждается наличие низкочастотных колебаний безнапорных потоков;

3. В режиме активного лабораторного эксперимента выявлены условия физического и экспериментального (точностного) характера, при которых возможна идентификация низкочастотных колебательных процессов; с высокой степенью статистической надежности подтвержден существующий теоретический вывод о том, что они возможны только в неравновесном состоянии открытого потока;

4. Впервые в экспериментальной гидравлике безнапорных потоков применен анализ низкочастотных колебательных процессов на фазовой плоскости, который позволил визуализировать двумерные проекции квазипериодических аттракторов в условиях неравновесного режима, ранее теоретически установленные методами частично инфинитного моделирования.

Дальнейшие исследования по данной теме должны идти, как по пути разработки по "настоящему гидравлических" датчиков скорости, уровня и сопротивлений (с соответствующим расширением ИИК), так и в направлении проведения активного эксперимента в условиях деформируемых русел с сильной замутненностью. Подобные эксперименты были проведены и показали возможность долговременной работы вертушки в таких условиях. Однако из-за трудоемкости был проведен всего один эксперимент, не позволяющий сделать статистически надежных выводов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Илларионов, Александр Васильевич, Санкт-Петербург

1. Дементьев В.В. Исследование пульсации скорости течения на горных реках и ее влияние на точность измерения расхода воды// Труды ГГИ. 1962. - Вып. 98. - С. 56 - 98.

2. Гринвальд Д.И. Турбулентность русловых потоков. Д.: Гидроме-теоиздат, 1974. - 166 с.

3. Коплан-Дикс С.И. К вопросу о точности определения расхода воды// Труды ГГИ. 1960. - Вып. 84. - С. 23 - 35.

4. Грани гидрологии/Под ред. Дж.К. Родда. JL: Гидрометеоиздат, 1980.-448 с.

5. Клавен А.Б. Исследование структуры турбулентного потока// Труды ГГИ. 1966. - Вып. 136. - С. 65 - 76.

6. Клавен А.Б. Лабораторное исследование кинематической структуры турбулентного потока с сильно шероховатым дном// Труды ГГИ. -1973. Вып. 209. -С. 61- 90.

7. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-313 с.

8. Тез. докл. Д.: Гидрометеоиздат, 1960. - T. V. - С. 9 - 18.

9. Матвеев Н.М. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений. Минск: Вышейшая школа, 1974. - 768 с.

10. Карасев И.Ф., Коваленко В.В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 208 с.

11. Коваленко В.В. Нелинейные аспекты частично инфинитного моделирования в эволюционной гидрометеорологии. СПб.: Изд. РГГМУ, 2002. - 158 с.

12. Коваленко В.В., Илларионов A.B. К автоматизации экспериментальной проверки решений динамико-статистических моделей речной гидрометрии// Труды V Всесоюзного гидрологического съезда. JL: Гидрометеоиздат, 1988. - Т. III. - 518 с.

13. Илларионов A.B. Автоматизация экспериментальных исследований колебательных процессов в водных потоках// Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМУ. Часть 1. Секция метеорологии и гидрологии. СПБ.: Изд РГГМУ, 2003. - С. 84.

14. Волгин Л.И. Аналоговые операционные преобразователи для измерительных приборов и систем. М., 1983. - 288 с.

15. Ковчин И.С., Степанюк И.А. Методы специальных океанологических измерений/Под ред. проф. И.А. Степанюка. СПб.: Изд. РГГМУ, 2002. - 272 с.

16. Можегов H.A. Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материалов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 118 с.

17. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин// Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. - 320 с.

18. Быков В.Д., Васильев A.B. Гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.-448 с.

19. Арбузов И.А. Электрические измерения гидрологических величин. -Л.: Изд. ЛГМИ, 1975. 158 с.

20. Дворяшин Б.В., Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения. М.: Сов. Радио, 1978.-360 с.

21. A.c. 636479 СССР, МКИ G01C13/20. Устройство для измерения продольного уклона свободной поверхности водотока/И.А. Арбузов, В.В. Коваленко, A.B. Илларионов (СССР). -№ 2486983/18-10; Заявл. 16.06.77; Опубл. 1978, Бюл. № 45.

22. Арбузов И.А., Коваленко В.В. К автоматическому измерению продольного уклона свободной поверхности водотоков// Вопросы гидрологического приборостроения. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - С. 232-238.

23. Арбузов И.А., Коваленко В.В. Исследование динамических свойств гидрометрической трубки// Межвузовский сборник. Л.: Изд. ЛПИ, 1976.-Вып. 59.-С. 45 -53.

24. Спицын И.П., Соколова В.А. Общая и речная гидравлика. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 360 с.

25. Серебренников М.Г., Первозванский A.A. Выявление скрытых пе-риодичностей. М.: Наука, 1965. - 244 с.

26. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. -М. : Мир, 1974.-464 с.

27. Kendall M. G. Time Series. New York: Oxford University Press, 1984.

28. Daniell P. J. Discussion on symposium on autocorrelation in time series// Journal of the Royal Statistical Society 1946. - Suppl. 8. - P. 88 - 90.

29. Blackman R. В., Tukey J. The measurement of power spectral from the point of view of communication engineering. New York: Dover, 1958.

30. Parzen E. Mathematical considerations in the estimation of spectral: Comments on the discussion of Messers, Tukey, and Goodman. Tech-nometrics, 1961. - Vol. 3. - P. 167 - 190; 232 - 234.

31. Шелутко В.А. Численные методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1991.-239 с.

32. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1972.-288 с.

Информация о работе

Илларионов, Александр Васильевич
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2003
ВАК 25.00.07

Диссертация

Колебательные процессы в открытых водных потоках - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы