Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структура турбулентности речных потоков и методические основы их моделирования на гидравлических деформируемых моделях

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Структура турбулентности речных потоков и методические основы их моделирования на гидравлических деформируемых моделях"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КЛАВЕН АЛЬБЕРТ БОРИСОВИЧ

СТРУКТУРА ТУРБУЛЕНТНОСТИ РЕЧНЫХ ПОТОКОВ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ МОДЕЛЯХ

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург, 1996

Официальные оппоненты.

доктор технических наук, профессор Гришанин К В. доктор технических наук, профессор Карасев И.Ф. доктор технических наук, профессор Михалев М.А.

Ведущая организация: Российский гидрометеорологический институт:

Зашита состоится на заседании диссертационного совета

Д 024.03.01 Государственного гидрологического института по адресу: г.Санкт-Петербург, Васильевский остров , 2-я линия, дом 23. С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться а библиотеке Государственного гидрологического института.

Диссертация в виде научного доклада разослана

Ученый секретарь диссертационного Совета

Н.А.Лемешк

Актуальность проблемы. Турбулентность речных потоков по существу влияет на истер и интенсивность всех процессов, совершающихся в руслах рек, поэтому качество и -юта оценки этих процессоз з значительной степени зависят от уровня изученности чстуры и механизма речной турбулентности

Разносторонняя и интенсивная инженерно-хозяйственная деятельность на реках дается в знании не только осредненных, но и действительных (актуальных) характеристик -юго потока. Сведения же об этих характеристиках (в частности, о попе актуальных зостей) крайне ограничены, а имеющиеся - представлены преимущественно данными ько о продольной компоненте скорости

Заметное и вполне понятное стремление современных исследователей к разработке ематических моделей речного потока и определяемых им процессов, должно все же в своей ове опираться на ясные физические представления о структуре и механизме и самого ока, и совершающихся под его воздействием процессов.

Вместе с тем, четкой и определенной физической основы о явлении турбулентности еще

создано. Не случайно Б.Дж.Кантуэлл заканчивает обширную обзорную статью 'ганизованные движения в турбулентных потоках" (1984) словами: "Турбулентность ио-жнему остается главной неизученной проблемой классической физики". Это замечание в ной мере может быть отнесено и к турбулентности речных потоков, особенно в части ее езиса, структуры и механизма.

В связи с этим проблема, над которой автор работал в течение 35 лет и которая тавляет стержень диссертационной работы, представляется вполне актуальной как прежде, и на современном этапе.

Гидравлическое моделирование считается самым совершенным инструментом в арсенале ■ораторных приемов исследования гидрологических процессов. Наиболее сложно аелировать речные потоки на деформируемых моделях, опыт выполнения которых и весьма ден, и наиболее противоречив. Это связано, может быть, с недостаточно ясными 5ическими основаниями, на которые опираются известные методики Вместе с тем зормируемая модель речного потока оказывается более широкофункциональным ггрументом, чем жесткая модель, поскольку в этом случае моделируется не только поток, но 1еформация его русла, то есть русловой процесс. И именно в таком варианте современная женерно-хозяйственная практика предпочитает видеть технологию научного обоснования >их многочисленных проблем.

В связи с этим вопросы обоснования метода моделирования речных потоков на формируемых моделях также представляются актуальным предметом исследования.

Цели и задачи работы. В работе ставились две основные цели. Первая заключалась в к, чтобы на основе достаточно полного лабораторного и натурного экспериментального териала, а также с учетом уже имеющихся результатов других исследователей раскрыть ховные черты структуры и механизма речной турбулентностн и выразить ее свойсгва через редненные гидравлические характеристики, доступные инженерной практике. Вторая цель стояла в разработке физически обоснованного (учитывающего свойства речного потока и раничивающей его пористой зернистой среды) методического подхода к моделированию чных потоков на деформируемых моделях, то есть, по существу, подхода к моделированию и чного потока и руслового процесса.

В связи с поставленными целями определились следующие задачи исследования:

- разработка методик и технических средств исследования и измерения структуры еловых потоков в лабораторных и в натурных условиях,

- построение схемы кинематической структуры руслового потока и установление связи руктурных элементов этой схемы и свойственных им актуальных скоростей с осредненными рактерисгиками потока;

- исследование механизма взаимодействия руслового и подруслового потоков выяснение роли этого механизма в транспортировании речных накосов и генезисе русло) форм;

- разработка исходных требований к моделированию речных потоков деформируемых моделях;

- установление условий, достаточных для получения подобия руслового поток русловых форм в натуре и на модели.

Предмет исследований и личный вклад автора в решение проблемы. Предмет исследований автора была структура турбулентности руслового потока в лабораторных пот и в реках, процесс взаимодействия руслового и подруслового потоков, процесс формирова) внутрируслового донного рельефа на моделях разного масштаба.

С учетом уже имевшегося опыта автором были предложены методические прие исследования структуры турбулентности в лабораторных и натурных условиях, разработг конструкции гидравлических лотков и другого оборудования для лаборатс^ экспериментов. Разработан и изготовлен измерительный комплекс для регистрации го актуальных скоростей в гидравлических лотках. Предложен принцип измерения векп актуальной скорости в натурных и в лабораторных условиях. Предложены принцип действи конструкция оборудования для отбора проб донных отложений в реках.

Автор разработал программы лабораторных экспериментов, руководил этими работам сам принимал в них участие.

Программа серии экспериментов в лотк? с сильно шероховатым дном разработана и са эксперименты выполнены автором совместно с ЗДКопалиани.

Автор подготовил программы, руководил работами и принимал непосредствен) участие в исследованиях турбулентности на р.р.Гороховке, Поломети, Вычегде, Турунчу Измерения на канале Шават были выпрлнены по программе, разработанной совмести« автором и по его методике Г.Г.Месерлянсом.

Схема структуры русловой турбулентности, соотношения для расчета пространственн и кинематических характеристик турбулентности, критериальные соотношен характеризующие особенности взаимодействия руслового и подруслового потоков и уело! устойчивости частиц, слагающих русло, дополнительные условия для обеспечения подо( потока'и руслового процесса на деформируемых моделях разработаны автором. .

Предметом зашиты являются разработанные автором:

- схема структуры речной турбулентности;

- расчетные зависимости для оценки пространственных и кинематических характерна речной турбулентности;

- критериальные соотношения, характеризующие особенности взаимодейсто руслового и подруслового потоков и условия устойчивости донных наносов;

- физические предпосылки методики моделирования (в том числе дополнительн условия подобия) речных потоков и руслового процесса на деформируемых гидравлическ моделях;

- методические приемы регистрации структурных элементов русловой турбулентносп лабораторных условиях и принципы измерения актуальных скоростей контактным методоь натурных и лабораторных условиях;

- приборы и оборудование для измерения характеристик потока и наносов лабораторных и натурных условиях.

Новична научных результатов чяключается:

- в получении массового экспериментального материала, содержаще непосредственную информацию о структуре крупномасштабной русловой турбулентности продольно-вертикальной плоскости потока; в получении зависимостей.для оценки размер< формы и периодов крупномасштабных структурных элементов; в разработке двухмерной схе»

Зулентности в продольно-вертикальной плоскости потока; в разработке методики и нического оборудования для выполнения скользящей киносъемки визуализированного гния, применение которых позволило получить перечисленные выше экспериментальные ериалы в лабораторных лотках;

в получении натурных данных о величинах и характере распределения по глубине всех х компонент актуальной скорости; в" получении расчетных зависимостей для оиенки актерных значений всех компонент актуальной скорости, в разработке методики и ничесхюе средств для измерения актуального вектора скорости в натурных условиях, 1менение которых позволило получить информацию о всех трех компонентах актуальней рости;

- в получении сведений о взаимодействии руслового и подруслового потоков и ановлении критериальных соотношений, определяющих условия существования трех актерных типов взаимодействия руслового и подруслового потоков;

- в построении дополнительных условий подобия механизма взаимодействия руслового одруслового потоков.

Ппякткчеегсяя 1нячнмость и реализация результатов исследований:

Полученные результаты углубляют представления о структуре и механизме речной булентности, о взаимодействии руслового и подруслового потоков, о механизме движения ловых наносов и генезисе микроформ руслового рельефа, и поэтому могут быть гальзованы в развитии и совершенствовании теории русловой турбулентности и теории :лового процесса.

Зависимости для оценки характерных значений актуальной скорости в сочетании с исимостями для оценки пространственных и временных характеристик структуры (булентности могут быть использованы и используются для расчетов разбавления сточных I и оценок состояния и форм движения русловых и взвешенных наносов. Результаты ¡ледований вошли в соответствующие разделы "Рекомендаций по размещению и эектированию рассеивающих выпусков сточных вод" (Стройиздат, 1981) и в нормативное :обие "Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов", !Н 163-83 (Гидрометеоиздат, 1985).

Результаты исследований взаимодействия руслового и подруслового потоков совместно сведениями о структуре и механизме русловой турбулентности положены в основу (работки физического обоснования метода моделирования речных потоков и руслового оцесса на деформируемых моделях.

Полученные автором результаты приводятся в ряде монографий и в учебных пособиях по эрии руслового процесса, речной турбулентности и динамике русловых потоков как в гчественных, так и в зарубежных изданиях.

Результаты исследований вошли в программу 17-ой сессии Международных высших дрологических курсов, поддерживаемых ЮНЕСКО, при МГУ, в течение ряда лет пользуются в лекциях по курсу "Гидравлическое моделирование гидрологических оцессов" в Российском государственном гидрометеорологическом институте; а также вошлн ачитсльной составляющей частью в учебный кинофильм "Гидравлика руслового процесса" роизводство киностудии "Киевнаучфильм", 1986 г.).

Предложенные автором и разработанные с его участием приборы и оборудование для мерения характеристик потока и наносов в лабораторных и натурных условиях используются научно-нсследовательской и научно-практической деятельности Русловой лаборатории и угих отделов ГТИ, на сети Росгидромета, в МГУ и научно-исследовательских институтах сраины, Молдавии, Узбекистана и Казахстана.

Апробация гсяботм Результаты работы неоднократно докладывались Ученому Совету "И. на Всесоюзных межвузовских конференциях по проблеме "Закономерности проявления озионных и русловых процессов" (Москва, МГУ. 1981. 1987), на; секции русловых процессов

Научного Совета "Комплексное использование и охрана водных ресурсов" ПСНТ (Ленинг] 1971, 1983), на IV и V Всесоюзных гидрологических съездах (Ленинград, 1973, 1988), конгрессе МАГИ (Лозана, 1987), на конференции МАГИ (Будапешт, 1988), на международ! симпозиуме "Встреча стран Востока и Запада, Севера и Юга для обсуждения состояния зна: в области русловых процессов, речной гидравлики и научного обоснова::!» проектированш реках" (Санкт-Петербург, 1994),

Публикации. По теме диссертационного доклада опубликовано более 50 работ (в • числе получено 7 авторских свидетельств), подано и внедрено около 20 рационализаторе предложений, выпущено более 20 научно-технических отчетов.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа представлена в фо] доклада и состоит из предисловия и трех глав:

1.Структура турбулентности речных потоков.

2.Подрусловой поток и его взаимодействие с русловым потоком.

3.Физические предпосылки моделирования речных потоков на гидравличес деформируемых моделях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ПРЕДИСЛОВИЕ

Диссертационный доклад включает четыре фрагмента: структура турбулентности речь потоков, подрусловон поток и его взаимодействие с русловым потоком, физические оснс моделирования речных потоков на гидравлических деформируемых моделях а также метод! технические средства, разработанные автором или с ет участием и использованные им в св( исследованиях в практике Русловой лаборатории ГГИ, а также использованные други исследователями и учреждениями.

Первые три фрагмента по существу составляют структуру доклада. Четвертый фрагме хотя и не выделен отдельной главой, а рассредоточен в разных частях доклада, -ем не меи представляется весьма важной составляющей, поскольку результаты, которые удал! получить и которые здесь обсуждаются, получены исключительно экспериментальным пут когда методики исследования и средства измерения имеют решающее значение.

Как известно, методы экспериментальных исследований руслового процесса и средс измерения характеристик турбулентности и транспорта наносов до сих пор несовершен! поэтому автору пришлось уделить много внимания и этим аспектам проблемы.

Второй момент, на который автор хотел бы обратить внимание, состоит в следующ' Главы доклада могут рассматриваться как самостоятельные фрагменты исследования. Вмест тем существует тесная связь, их объединяющая: вода, заключенная в русле непосредствен гидравлически связана с водой, заключенной в пустотах речного аллювия, и поэтому логич предполагать и исследовать их взаимовлияние, накладывающее отпечаток и на структ; потока, и на механизм транспорта наносов.

Эти главы становятся еще в большей степени логически и генетически объединенным! подчиненными более общей цели, если сделать акцент на метод гидравлическс моделирования речных потоков на деформируемых моделях, то есть по существу моделирование руслового процесса. Здесь следует принять во внимание, что вся науч! производственная деятельность автора прошла в Русловой лаборатории ГТИ, I гидравлическое моделирование является одним из главных методических прием лабораторных исследований, а поэтому предметом постоянного изучения совершенствования. Вместе с тем, экспериментирование на деформируемых моделях оказалс

см весьма сложным и воспринимаемым как в отправных положениях, так и в

-ерпретации результатов далеко неоднозначно.

В каких признаках воспринимать понятие "поток в деформируемом русле", как понимать естное представление_ о гом,_ что рельеф русла есть отпечаток структуры потока и. в

тности, представление о связи микроформ руслового рельефа с макротурбулентностью, как ---------

1яют известные приемы моделирования (модель с неискаженным рельефом, модель с :а;гг!:!:ь!м р»льефом, форсировка подаваемого на модель расхода воды и др ) на структуру "ока, транспорт наносов, и русловой рельеф и, наконец, моделируются ли вообще речные кроформы - вот далеко неполный комплекс вопросов, всегда возникавших, как только автор ¡днршшмал попытку работать на деформируемой модели.

Размышления над этими вопросами с учетом уже имеющегося отечественного и ■убежного опьла подвели в результате к такой общей схеме рассмотрения проблемы целирования речных потоков на деформируемых моделях, в которой прежде всею •«»л»ляется существо поиятил, далее формулируются требования к моделированию и наконец •анавливаючек условия (необходимые и достаточные), при которых вочмо'гсчо постижение юбия на структурном уровне внутрирусловых форм речного рельефа.

В этом (относительно простом) варианте рассмотрения проблемы удалось-разработать и эрмулировать те физические предпосылки, которые по существу составляют методическую гову моделирования и речного потока, и руслового процесса.

Чтобы достичь этого результата, потребовалось выполнить .довольно обширные :периментальные исследования структуры собственно руслового потока, ответственного за рмирование и деформации своего ложа, исследовать детали механизма взаимодействия гока с ограничивающей его деформируемой и водопроницаемой зернистой поверхностью, азгшось, что в этом механизме существенная роль принадлежит подрусловой воде, аючешюн в пустотах речного аллювия

Обстоятельства складывались так, что все экспериментальные исследовании в моратории и в полевых условиях приходилось (как уже отмечено) предварять разработкой голик измерений, конструированием оборудования и приборов.

Все это в совокупности и послужило основанием для представления в докладе именно тех гырех фрагментов, которые перечислены а начале предисловия и в более компактной форме несены в название доклада.

1. СТРУКТУРА ТУРБУЛЕНТНОСТИ РЕЧНЫХ ПОТОКОВ

Переход от ламинарного режима движения потока к турбулентному сопровождайся явлением нового свойства - молярного (наряду с молекулярным) обмена в области ижения.

Это повое спойстяо турбулентного потока приводит, в частности, к таким двум гдетвиям, С одной стороны, оно поро:кдает ряд других новых важных свойств потока' стоянно совершающиеся изменения скорости (по величине и направлению) и др\гпх р:иггеристик движения во времени и пространстве, новую структуру и соответствующий ей рактер распределения скорости течения по глубине, иной закон гидравлическою противления. С другой стороны, молярный обмен сильно усложняет общую карпшу чения, восприятие которого ассоциируется прежде всего с хаосом

Первое обстоятельство привело к тому, что в настоящее время понятие "турбулентность чмых потоков" трактуется довольно широко. В данном диссертационном докладе оно раничено рассмотрением лишь кинематической структуры речной турбулентности, то есть

рассмотрением свойств, образующихся в речных потоках локальных, объемов жидк. которые называются турбулентными вихрями и которые ответственны за все прочие н свойства речных потоков как турбулентных (в отличие от ламинарных потоков).

Второе обстоятельство (хаотический характер движения турбулентного по-предопределило отнесение его как природного явления к категории случайных процесс соответственным приложением к изучению этих процессов методов теории вероятное математической статистики и оформлением статистической теории турбулентности.

Статистическая теория турбулентности изучает актуальные скорости и актуал давление, но представляет эти величины (как это было предложено О.Рейнольдсом (189 виде осредненных значений и пульсационных отклонений. Таким образом исследован описание структуры турбулентности в статистической теории осуществляется. ' пульсационные скорости и пульсационное ' давление. В наиболее полном о& статистическая теория турбулентности изложена в монографиях А.С.Монина и А.МЯг. (1965), И.О.Хинце (1963), А.А.Таунсенда (1959); применительно к русловым потокам и в б компактном виде основы статистической теории турбулентности приведены в моногра< Е.М.Минского (1952), М.А.Великанова (1958), К.В.Гришанина (1969 и 1979), Д.И.Гринва и В.И.Никоры (1988); применительно к гидросооружениям - в монографии В.М.Лятхера'(П

Основным средством анализа в статистической теории турбулентности явля! временные, пространственные и пространственно-временные корреляционные функ Корреляционные функции позволяют судить о степени статистической связани пульсационных движений. С помощью корреляционных функций образуют интеграл! масштабы времени и длины пульсационных движений.

Корреляционные функции и интегральные масштабы могут рассматриваться в эйлерс и лагранжевом вариантах. В первом случае изучаемая область потока фиксирована, во втор она перемещается по заранее неизвестной траектории.

По параметрам корреляционных функций и интегральным масштабам судят о период размерах крупномасштабных возмущений. Однако экспериментальные данные, полученны разных объектах и обработанные таким способом, приводят к различным результатам, может восприниматься как следствие известной формальности самого способа существенного влияния на результат характеристик водного объекта и средства измерения.

Наряду с корреляционными функциями и интегральными масштабами сртистиче теория турбулентности широко использует спектральные функции, выражающие плоты распределения энергии турбулентности по частотам пульсаций.

Анализ энергетических спектров пульсаций послужил основой для формировг современных представлений (предложенных Л.Ричардсоном и затем разви А.Н.Колмогоровым и А.М.Обуховым) об энергетическом механизме турбулентности, суще< которого заключается в передаче энергии от движений более крупного масштаба соответственно меньшей частоты) движениям другого, меньшего масштаба (и соответстве большей частоты). Этот процесс передачи энергии турбулентности по каскаду ча< начинается с отъема энергии осредненного движения пульсациями самой низкой частот завершается рассеянием механической энергии в тепловую на уровне очень мелких масштг высокой частоты, которые в силу малости размеров и собственных скоростей оказывай неспособными образовать еще более мелкие структуры.

В соответствии с особенностями разных частей спектра й нем выделяется три интерв интервал низких частот (отбор энергии от осредненного движения), интервал средних ча< (передача энергии от малых к большим частотам), интервал высоких частот (рассея механической энергии в тепло).

Работы О.Рейнольдса оказали существенное влияние на последующий ход изуче турбулентного движения. Выполнены сотни исследований, направленных как на раскрь существа явления турбулентности, так и на ее учет при решении практических задач. В '.

х благодаря работам Д.Тейлора, Л.Пранятля, В.Шмидта, Т.Кармана появились так таемые полуэмпирические теории турбулентности, в основу которых заложены ичные гипотезы замыкания уравнений. Полуэмпирические теории турбулентности, "ащаемые новыми предложениями, продолжают развиваться к а настоящее время. В их !е наиболее "распространенной " является так - называемая - Ь-б-модель, содержащая два тения переноса: для энергии турбулентности Ь и для скорости диссипации энергии с В пах У.Фроста, Т.Моулдена (1980), Дж.Ламли (1984), Е Матье, Д Жанделя (1984), В Роди ¡4) предлагаются различные модификации этой модели,

В исследованиях природы турбулентности и ее структуры предпринимаются разные «оды С использованием моментов связи гидродинамических полей (Л А Фридман, .Келлер, ¡924) принципов локальной изотропии (А.П.Колмогоров, 1941) и каскадного анизма передачи энергии турбулентности (А.М Обухов, 1941), гипотезы странных >акторов (ДРюэль, Ф.Такенс, 1981), понятия фракталей (Б Мандельброт, 1981), с дложением о раздельном рассмотрении проекций векторов скорости на каждую рдинатную ось: с положительным и отрицательным знаком (Г.А.Гачичеладзе, ¡935).

Несмотря на различие подходов и применяемых к исследованию средств, в цепом гепенно формируется представление о доминирующей роли крупномасштабной части в <тре турбулентности, о существенности детерминистического начала в ее генезисе и об осителькой ее упорядоченности.

Применительно к речным потокам наибольший интерес представляет именно интервал ких частот, в котором проявляются свойства анизотропии, и следовательно закономерности альной изотропии (известный "закон двух третей" А.Н.Колмогорова) уже не действуют. В ном докладе рассматриваются лишь структурные элементы турбулентности на уровне шних масштабов, свойства которых полностью определяются поперечными размерами ока и формой русла в целом. Поскольку эта часть структуры речной турбулентности более энергетически значима (низкочастотный интервал) и, следовательно, как принято тать, ответственна и за перемещение русловых наносов в целом, и за формы транспорта х наносов, то вполне понятны попытки представить ее в более конкретных образах рмирование структурного образа речной турбулентности основывается в значительно |ьшеи мере на непосредственных наблюдениях картин турбулентного движения, нежели на ультатах опосредованного через арсенал статистических методов исследования.

Полезность и перспективность выделения дискретных элементов потока отмечал ;,Кондратьеа (1951), обсуждая пути изучения турбулентной структуры речных потоков и лового процесса. В связи с этим же, характеризуя возможности термоэлектроанемометра в :ледованиях структуры русловой турбулентности, М.А.Великанов писал (1958) измеряемый им процесс пульсации скорости в точке не дает нам представления о структуре :ой-либо области потока: последнюю мы смогли бы изучать только методами следящей ю- и фотосъемки. А измеряя пульсацию скоростей даже одновременно двумя измерителями 1вух неподвижных точках потока, мы всегда лишь "выхватываем" из общего процесса зхождения в потоке турбулентных возмущений какие-то случайные их "кусочки".

Спустя четверть века, по этому же поводу в уже упомянутой выше обзорной статье Хж.Кантуэлла (1984) отмечается: "Исследование в!гхревых структур большого масштаба с мощью эйлерова пространственно-корреляционного тензора, основанное На стохастической ггине случайных масштабов "турбулентной жидкости", обладает целым рядом недостатков", далее: "Коротко говоря, этот метод не дает никакой информации о совокупности ижущихся больших вихрей, заполняющих все поле течения. В начале 60-х годов были оведены эксперименты, которые начали менять отмеченный подход к проблеме збулентности. Исследования последних 20-ти лет в области турбулентности привели к лушему осознанию того, что процессы переноса в большинстве турбулентных сдвиговых <ений определяются крупномасштабными вихревыми движениями, которые не ягляются

случайными. Форма, интенсивность и масштаб таких организованных движений меняются течения к течению и аналогичным образом должны меняться методы их определения".

Одним из таких "новых" методических приемов наблюдения и регистрац крупномасштабных структурных элементов турбулентности является фото- и киносъемка пс актуальных скоростей сразу в некоторой области движения (по крайней мере достаточш чтобы включать элемент крупномасштабной структуры полностью) и, в частности, "следят; или "скользящая" фото- и киносъемка, когда регистрирующая аппаратура перемещается вде потока со скоростью, близкой к ее среднему по глубине значению. Впервые этот прием б применен Никурадзе еще в 20-х годах при изучении структуры течения в поверхностном сл потока, при этом на поверхность потока подавались легкие частицы, визуализирующие течем воды. Позже скользящая съемка течения в лотке в вертикальной осевой плоскости бь; выполнена Б.А.Фидманом (1950). Хотя полученный им материал был довольно скромен объему и информативности, тем не менее оказался выразительным и по форме, и по сущест; Вероятно поэтому опубликованная Фидманом фотография большого вторя была зат помещена в монографиях Е.М.Минского (1952) и М.А.Великанова (1954) и (1958).

Такой экспериментальный материал, дополненный визуальными наблюдениями на рек и в лабораториях, стимулировал попытки создать обобщенный образ структу] крупномасштабной турбулентности (В.Н.Гончаров (1954), М.А.Великанов (195 К.В.Гришанин (1961, 1969 и 1979), В.М.Маккавеев (1952), Н.Е.Кондратьев (196.

A.В.Караушев (1960), Н.С.Знаменская (1963), Т.Теодорсен (1955), А.А.Таунсенд (195'

B.С.Лапшенков (1979).

Однако, отрывочность фактических сведений, оказавшихся в распоряжении разш исследователей, явилась причиной того, что созданные ими схемы структуры руслов турбулентности, имея определенные общие черты, в то же время существенно расходились : ряду важных признаков.

Исходная позиция автора, качавшего работать над рассматриваемой проблемой в нача 60-х годов, как раз и формировалась на фоне уже имевшихся к этому времени представлени? учетом объединяющих их результатов и разногласий. Главное в этой позиции заключалось осознании необходимости получения массовых и по возможности надежных лабораторных натурных материалов, позволяющих составить объективный образ структур крупномасштабной русловой турбулентности и количественно оценить ее свойства. Втор! важный момент этой позиции заключался в осознании необходимости не противопоставля "прямой" и "опосредованный" подходы в исследованиях структуры турбулентности, a i возможности сочетать их.

1.1. Характеристика лабораторных установок, натурных объектов, условий экспериментов и методики измерений

Исследования русловой турбулентности были начаты автором с измерений noj актуальных скоростей в лабораторных стеклянных лотках следующих параметров:

малый лоток с изменяющимся уклоном длиной 5 м, шириной 0,068 м, с дном i - органического стекла; '

малый лоток с изменяющимся уклоном длиной 8 м, шириной 0,21 м, со стеклянным дне и с ровным шероховатым дном, выложенным зернистым материалом разной крупности.

Поле мгновенных скоростей исследовалось в вертикальной плоскости, совпадающей продольной осью лотков. Скорости течения регистрировались путем фотографирования и; киносъемки мелких частиц полистирола нулевой плавучести, освещаемых специальны щелевым фонарем. Требуемая дискретизация по времени достигалась с помощью внешне! обтюратора, устанавливаемого перед объективом фото- или кинокамеры.

Фото- и киносъемка изучаемой области потока выполнялись .двумя способами: подвижным и движущимся вдоль лотка аппаратом. Во втором случае аппаратура змещалась на специальной тележке, скорость которой составляла величину близкую средней орости потока. С помощью этого приема оказалось возможным зафиксировать те руктурные кинематические элементы, которые и составляют существо турбулентности елового потока, то есть прежде всего вызывают постоянно происходящие во всей области нжения изменения скорости течения по величине и направлению Таким образом, в этой рии опытов изучались двухмерная структура турбулентности, представляемая сгределением по глубине продольной и вертикальной составляющих скорости, и свойства мих структурных элементов турбулентности также в плоском продольно-иертикальном лрезе.

Всего было выполнено около 60 основных эксперимеотов, условия в которых [растеризовались следующими величинами.

Эксперименты в лотках с гладким дном: глубина 0,69 - 8,0 см, скорость течения 7,0 - 64 (/с, число Рейнольдса 348 - 25570, число Фруда 0,26 - 1,59, уклон поверхности потока 00010-0,0133.

Эксперименты в лотке с шероховатым дном: глубина 5,0 см, скорость течения 55,0 см/с, кло Рейнольдса 23500, число Фруда 0,77, уклон поверхности потока 0,0067 - 0,0130, ероховатость дна, выложенного песчано-гравийной смесью, гравием, щебнем и инофракционными составами гравия 3,0-15,0 мм (всего 9 вариантов). Приведенные данные шдетельствуют о том, что исследуемое явление изучалось в довольно широком диапазоне зределяющих его факторов.

Однако все же эти исследования ограничивались условиями лабораторных установок, отребность вынесения эксперимента на натурные объекты и вместе с тем невозможность ^пользования в натурных условиях методических приемов экспериментирования, освоенных в Моратории, побудили поиски новых путей дальнейшего исследования структуры (■рбулентности руслового потока.

Один из реализованных вариантов измерения актуальных скоростей течення в реке эстоял в переоборудовании стандартной полевой вертушки ВЖМ-3. Ее контактное колесо ыло дополнено тремя контактами, благодаря чему частота сигналов увеличилась в четыре аза. Эксперимент с использованием такой вертушки был проведен в половодье 1970 г, на Поломети. Измерения- выполнены на трех вертикалях, приуроченных к напорному склону, ребню и подвалью гряды, при расходе воды 30 м'/с, глубине 1,5 м, скорости течения 1,2 м/с, исле Рейнольдса 1,5-106 и числе Фруда 0,3. Гряда имела высоту 0,45 м и длину 5,0 м.

Полученная в этом эксперименте информация хотя и представляет определенный интерес э чем будет сказано ниже) все же оказалась довольно скромной, поскольку измерялась только родольная компонента скорости.

Чтобы получать более полную информацию о структуре речного потока, нужно было оздать новое средство измерения способное замечать мгновенные состояния течения. Если еличину актуального вектора скорости обозначим через V , а актуальное направление вектора афикслрусм двумя углами: углом а в горизонтальной плоскости и углом р в вертикальной, то прямоугольной системе координат, ориентируемой продольной осью параллельно 1средненному направлению течения, а вертикальной осью - по вертикали, получим для ычисления всех трех компонент актуальной скорости следующие выражения

и~Усо$ас<а-р (1)

V = V дат ¡3 . •. (2)

V хм а со* Д

(3)

где и, V и 'IV - соответственно продольная, вертикальная и поперечная компонен* актуальной скорости.

С использованием этого принципа были сконструированы и изготовлены прибор оборудование для его установки в потоке. Прибор представляет собой микровертушку флюгером (6 бесконтактных импульсов на один оборот лопастного винта), закрепленную кардановом механизме. Направление регистрируется индукционными датчиками и далее преобразованной форме передается вместе с сигналами вертушки на малоинерционнг перьевой самописец. Прибор крепится на штанге, которая устанавливается на платформ транспортируемой к месту измерений на поплавках-понтонах и обеспечивающей после установки незыблемость координатной системы и невозмущенность потока в облас-измерений.

С помощью этого прибора и оборудования были выполнены измерения турбулентное! на рр.Гороховке, Поломети, Вычегде, Турунчуке и на канале Шават. Гидравлические морфологические характеристики этих водных объектов приведены в таблице 1.

Таблица

Водный объект Расход еоды, н'/с ГлуЗина, м Шлрика русла, м Средняя скорость течения, м/с Число Фруда Гидравлический уклон Характеристика донного рельефа и русловых наносов

1 2 3 4 5 в 7 . 8

р.Гороховка в Ленинградской области 5.0 2.6* 12.0 0.33* о.оа 0.0004 мелкозернистый лесок с илом, отдельные неровности высотой до 0.05 м.

р.Полометь у д.Зеленый бор 70.0 1.5 75.0 0.62 0.17 0.0002 среднезернистый песок в форме гряд на мезоформах

р.Полометь у д.Зеленый Бор 25.0 1.0 60.0 0.40 0.13 0.00025 - - ;

р.Полометь у с.Яжелбицы 11.8 0.9 21.2 0.62 0.21 0.00019 гравелисто-песчаные отложения в мезоформах беч гряд

р.Вычегда у п.Коряжма 102 2.7- 250 0.34* 0.07 0.0001 среднезернистый, песок в форме гряд на поверхности побочней

р.Турунчук 20.0 1.3 48.0 0.34 0.09 0.00005 мелкозернистый песок в форме гряд высотой 0.18 м, длиной 6.5 м

канал Шават 102 2,7 50.0 0.74 0.12 0.0001 песчаные гряды высотой 0.25, длиной 10.0 м

Примечание: знак * означает принадлежность величины не ко всему сечению потока, а 1 конкретной измерительной вертикали.

Довольно большой объем информации, ролученной на этих натурных объектах позволил:

более надежно обосновать ранее сформулированные выводы и убедиться I возможности их распространения на натуру;

составить представление о третьей (поперечной) компоненте актуальной скорости; построить простые расчетные соотношения для количественной оценки различньо характерных значений всех трех компонент актуальной скорости;

составить представление о трехмерной структуре турбулентности руслового потока.

Однако, прежде чем приступить к анализу материалов в плоскости.сформулированных можных итогов, оказалось все же весьма желательным дополнить лабораторные материалы

ораторными же данными о поперечной компоненте актуальной скорости. Это дополнение ю осуществлено двумя методическими подходами: путем фото- или киносъемки [икаторов, визуализирующих течение в горизонтальной плоскости на разных уровнях по бине потока, и путем использования того же принципа, который был реализован" для (ерения вектора скорости в натурных потоках. В лабораторном варианте прибора скорость ■ока измеряется термоанемометром на' полупроводниковом терморезисторе, а |Ц30нтальный и вертикальный углы - соответственно двумя парами (горизонтальной и тикальной), закрепленных в зоне гидрофлюгера электродов, которые вместе с подвижным ктродом, размещенным на конце гидрофлюгера, вызывают изменение сопротивления ктропроводящей жидкости, заключенной между ними. Позже первый вариант прибора был ;колько усовершенствован Н.И.Зайцевым (1983), и уже этим вторым образцом им была полнена большая серия лабораторных измерений пространственной структуры руслового рока.

1.2. Двухмерная структура русловой турбулентности 1.2.1. Схема кинематической (структуры потока

Анализируя материалы скользящей фото- и киносъемки, оказалось возможным составить вольно определенное представление о структуре турбулентности в вертикально-продольной эскости потока. Это представление сводится к следующему.

Область течения в пределах всей глубины потока заполнена разными по величине и рме структурными вихревыми элементами. Наиболее четко обнаруживаются вихри, ггикальный размер которых .равен или близок глубине потока. Такие вихри имеют тянутую вдоль потока форму, их продольный размер варьирует от трех до десяти глубин, ггавляя в среднем для условий гладкого стеклянного дна 6,7 Н (Н - глубина потока), льшие вихри прослеживаются довольно четкими группами, что позволяет характеризовать размещение вдоль потока шагом Ь, составляющим в среднем также около 7 глубин.

Большие вихри имеют асимметричную форму: их тыловые области, обращенные против «ния, представлены крутовосходящими от дна к поверхности потока сосредоточенными адкториями, а области, обращенные по течению, представлены сравнительно полого ускающимися от поверхности ко дну и рассредоточенными траекториями.

Большие вихри имеют сложную структуру, занимаемое ими пространство потока юлнено вихревыми элементами меньшего размера. Последние также составлены еще более дыми. ■

Определенно обнаруживается следующее общее свойство вихревой структуры потока: с 1еньшением размера структурных элементов их форма все более стремится к форме круга, а битальные скорости уменьшаются. Характер зависимостей иллюстрируется графиками на с.1 и 2. Эти результаты находятся в согласии с представлением об анизотропности русловой рбулентности на уровне внешних масштабов.

Все структурные элементы турбулентности имеют одинаковое направление вращения, впадающее с моментом градиента осредненного течения (при течении слева направо ащение по ходу часовой стрелки).

; <4груюурные элементы турбулентности оказываются в целом неустойчивыми Газованиями. Однако при этом более упорядочены и устойчивы самые большие вихри с ртикальным-размером равным или близким глубине.

Ы1 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

О 0.2 0.4 0.6 0.8 Ь/Н

Рис.1

\/орбЮ 0.3

0.2

0.1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 ЫН

Рис.2

С учетом рассмотренных свойств построена схема двухмерной турбулентности вертикальной продольной плоскости потока в виде, изображенном на рис.3. В этой сх< находят отражение отдельные фрагменты представлений разных исследователей о структ крупномасштабной турбулентности. Вместе с тем будучи построенной по материа. непосредственных наблюдений и измерений, она наиболее близко отражает действителы картину структуры потока и в этом смысле представляется обобщающей современ представления.

С учетом этой схемы объясняется собственно механизм турбулентного потока, механиз формирования гидравлического сопротивления, механизм приведения в движение русловь наносов, генезис русловых форм (в частности, микроформ), характер распределения по глубиг актуальных скоростей потока.

1

\

1 - продольный размер вихр Ь - вертикальный размер еь хря

Ь - вер1 локальный размер ви фЯ

/ / / г

Нужно заметить, что фотографии мгновенного состояния потока, полученные нжущимся вдоль него со скоростью близкой к средней скорости киноаппаратом, и

строенная на основании анализа и обобщения этих фотографий схема структуры юулентности (рис.3), представляют собою некоторый совокупный образ, сформированный гегральным действием всех элементов механизма турбулентного потока.

_V__>_

Ряс. 3

В связи с этим, обращаясь к описанию этого механизма 11 не имея возможности разделить юкупное на составляющие, а располагая лишь этими, содержащими сразу все элементы санизма, материалами, приходится неизбежно домысливать его существо Оно ¡дставдяется следующим.

Самые большие, вихревые элементы, обнаруживаемые и на фотографиях, и «ставленные на схеме (рис.3), являются главным структурным элементом в механизме булентного потока.

Если внутренне стационарный поток ламинарного режима пытаться нарушить путем, фимер, увеличения скорости его движения, то его "разрушение1' и переход в разряд

трение нестационарного (то есть турбулентного) потока, начнется с появления самых пных блоков несташюнарности, то есть как раз с этих больших вихрен. Может быть 1Воначально эти вихри имеют правильную симметричную эллиптическую форму и простую треннюю структуру, но безусловно, что с появлением 1тх начинается поперечный (или тикальнын, по глубине) обмен. В процессе этого обмена относительно медленно [жущиеся придонные массы потока переносятся к поверхности в зо!.у относительно оренных слоев, затормаживая их, а относительно ускоренные массы поверхностных слоев ■вносятся ко дну, ускоряя их.

Этот первый этап перехода от ламинарного режима движения потока к турбулентному и дставляет собою первое звено в концепции Ричардсона-Колмогорова-Обухова, крывающей энергетический механизм турбулентности - отбор энергии осредненого жения структурами низкой чэстоты и соответственно большого масштаба. Эти структуры, зиваясь на градиентном переносном течении в своих поперечных движениях, оказываются огласованными с ним, в результате чего возникает ¡той, чем при ламинарном режиме :анизм гидравлического сопротивления.

Возникающая в связи с формированием больших вихрей пульсация скорости неизбежно ывает и соответствующую ей пульсацию гидродинамического давления и, как следствие, !рос уже не связанных собственно с большими вихревыми структурами масс зрможенной жидкости от дна в направлении поверхности. Эти массы оказываются еще ее несогласованными с переносным градиентным течением (они формируются в стенном ламинаризированном слое в случае гладкой граничной поверхности или в теневых астях выступов шероховатости в случае шероховатой граничной поверхности) и поэтому : более усиливают специфику нового механизма гидравлического сопротивления.

Вместе с тем эти массы жидкости, пронизывая область собственно больших вихрей, образуют их форму и внутреннюю структуру к тому виду, который и воспроизводится на ографиях развитого турбулентного течения, выполненных движущимся вдоль потока оаппаратом.

1.2.2. Распределение продольной и вертикальной компонент скорости по глубине

потока

Обычно эти характеристики представляются среднеквадратичными отклонениями, либ отношением среднеквадратичного отклонения к какой-либо характерной скорост» называемым интенсивностью турбулентности. В исследованиях автора рассматривала» осредненное во времени 0 и предельные (наибольшие и наименьшие) и„„ и и^ значени продольной компоненты; отнесенные к средней на вертикали скорости осредненные в времени положительные (направленные от дна к поверхности) +К/и сл. и отрицательны (направленные от поверхности ко дну) -К/и с*., а также предельные положительные отрицательные ± Угш / значения вертикальной компоненты актуальной скоросп

интенсивность турбулентности продольной д/(У)2 / и»., и вертикальной л/(Г') / компонент. Анализировались совместно данные, полученные стационарной и скользяще фото- и киносъемкой (объем выборок актуальных значений компонент скорости сосгавля около 100 значений). Типичный пример распределения этих характеристик по глубине поток! сформированного гладким стеклянным дном, приведен на рис.4-а. Анализ достаточн большого экспериментального материала, подобного представленному на рис.4, обнаруживав ряд характерных особенностей в распределении по глубине компонент пульсационно скорости.

Размах пульсации продольной компоненты скорости, определяемьй разностью имм=-ии (эпюры 1,3), возрастает от поверхности ко дну, достигая наибольшего значения вблизи дна.

Размах пульсации вертикальной компоненты актуальной скорости (эпюры 4) достигав наибольших значений в слое потока, отстоящем от дна на (0,15+0,4) Н; от этого ело вертикальная компонента убывает до близких к нулю значений на дне и до малых, но также н равных нулю значений на поверхности потока.

Вместе с тем, интенсивность турбулентности продольной компоненты скорости (эгаор 6) возрастает (как и размах пульсации этой компоненты) от поверхности ко дну, интенсивность турбулентности и осредненные значения вертикальной компоненты (эпюры 7 5) изменяются по глубине аналогично изменению ее предельных значений (эпюры 4).

20 40 » 00 ~0.1t -0.0« 0 0.03 0.10 0.24 О О.Ов 0.Ю О 0.0»

имин. о, и макс £ VI Ос.в., ± Кмакс/Ос.в. т/ЩТ / Ос.а. лДУ?/Ос.в.

Рис.4. Распределение характеристик турбулентности по глубине потока в масштабе средней скорости

а - гладкое дно, б - гравий диаметром 13-15 мм.

Поскольку предельные значения компонент скорости являются действительными гличинами, а осредненные - фиктивными, то очевидно, что именно они (эпюры 1, 3, 4) и казывают определяющее значение на распределение по глубине прочих характеристик: средненных значений продольной компоненты (эпюра 2), осредненных значений ертикальной компоненты (эпюры 5) и значений интенсивности турбулентности продольной и . ертикальной компонент скорости (эпюры 6,7).

В свою очередь поедельные значения компонент актуальной скорости, определяющие ар актер распределения по глубине интенсивности турбулентности и других осредненных арактеристик, формируются в потоке самыми большими вихрями, осуществляющими 1ассоормен в пределах всей глубины.

Этот вывод иллюстрируется рис.5, на котором связь предельных осредненных по глубине «

о скот о стац >зящая с ионарнэ! эемка съемка а/ о

« О (, /

о} А у У

о ! 1 ( 1

0 ¡^ о

О 20 40 60 V см/с

Рис.5

положительных и отрицательных значений вертикальной компоненты со средней скоростью потока представлена по данным стационарной (наибольшие в рядах значения) и скользящей

(значения, приуроченные к внешней орбите больших вихрей) киносъемки' те и другие точки одинаково хорошо группируются около прямых графика. Оказалось также, что положительные значения примерно а 1,5 раза больше отрицательных, что также подтверждает вывод об асимметрии в форме больших вихрей и представление об анизотропности русловой турбулентности на уровне внешних масштабов.

Таким образом, совместный анализ материалов стационарной и скользящей киносъемки частиц полистирола нулевой плавучести приводит к заключению об определяющем влиянии наиболее крупных структурных кинематических элементов руслового потока на характер распределения по глубине всех статистических характеристик русловой турбулентности.

1.2.3. Влияние шероховатости дна на структуру турбулентности и гидравлические характеристики потока

С этой целью была выполнена совместно с З.Д.Копалиани серия экспериментов, в которых практически при постоянных значениях расхода воды, глубины и средней скорости потока (см.п.1.1) в довольно широких пределах изменялись условия на дне: от гладкой стеклянной поверхности до гравия крупностью 13-15 мм (рис.4).

Кроме собственно крупности гравия, исследовалось влияние окатанности частиц (гравий, щебень одинаковой крупности), а также влияние процентного содержания фракций в двухфракционных смесях, имеющих одинаковые предельные крупности частиц.

Анализ материалов стационарной и скользящей киносъемки, а также гидравлических характеристик потока привел к следующим выводам. С увеличением относительной шероховатости:

¡.Возрастает дефицит осредненных значений продольной компоненты скорости и градиент профиля осредненных скоростей, что является следствием увеличивающегося молярного обмена в потоке.

2.Возрастает размах пульсаций продольной и вертикальной компонент скорости, связанный с движением больших вихрей.

3.Возрастает гидравлический уклон потока.

4.Уменьшается продольный масштаб или шаг больших вихрей.

Применительно к условиям данного эксперимента эти выводы иллюстрируются рис.б.

При рассмотрении рис.б обнаруживается вполне логичная связь интегральных

характеристик потока (уклон) с его актуальными характеристиками (предельные значения

/ к=ЦН

Рис.б. Зависимости относительного продольного размера

крупномасштабных элементов (/), уклона поверхности потока (//) и относительного значения вертикальной компоненты (III) от диаметра наносов (шероховатости дна), продольной и вертикальной компоненты скорости), формируемыми крупномасштабной частью турбулентной структуры (большие вихри): с ростом шероховатости происходит одновременное увеличение массообмена в больших вихрях и их общего числа на единицу длины потока, что в совокупности вызывает рост потерь энергии, который и проявляется в возрастающем уклоне потока.

Как в условиях гладкого дна, так и при различной шероховатости проявляется зависимость формы структурных элементов от их размера: наибольшую вытянутость в продольном направлении имеют большие вихри (вертикальный размер (0,8+1,0)Н, а форму близкую к кругу - малые вихри (вертикальный размер (0,05+0,2)Н).

и

Степень окатзнности частиц, слагающих дно, незначительно влияет на характеристики

урбулентности. Поскольку эта оценка выполнена на основе сравнения крупных частиц (гравий щебень диаметром 13-15 мм, то есть при относительной шероховатости около 0,28), можно жидать, что сделанный вь.вод тем более справедлив для условий с меньшими значениями тносительной шероховатости, которые обычны и в лаборатории, и в натурной практике.

Сравнение двухкомпоненгных смесей с вариацией "скелета" и "заполнителя" (с! =• 13-15 ш - 67 %, 6 = 5-7 мм - 33 %, и А - 13-15 мм - 33 %, А - 5-7 мм - 67 %) обнаруживает ушественные изменения и в распределении по глубине, и в численных значениях всех арактеристик турбулентности.

Учитывая влияние шероховатости граничной поверхности на форму больших анхрей, 1ависимость для определения нх шага запишем в виде

Ь = кН (4)

Здесь к - коэффициент, зависящий от относительной шероховатости и изменяющийся от 5,7 для гладкого стеклянного дна до 4,0 при с!/Н = 0,28

Используя гипотезу "замороженной турбулентности", получим зависимость для периода больших вихрей

Т = ЦЛср = кНШср (5)

Здесь ис, - средняя по глубине (переносная) скорость потока.

К.В.Гришанин получил формулу, теоретической основой которой является предположение о зависимости этого периода от темпа генерации вихрей и от поперечного размера потока. Формула имеет вид.

Т-НШ;р(С2/8)"5 (6)

Линейный масштаб глобальных вихрей по К.В.Гришаннну определяется выражением Ь = тр = Н(С2/В)"3 (7)

Хотя зависимости (6) и (7) получены теоретически, а (4) и (5) сугубо эмпирическим путем, они имеют одинаковую структуру. Для использования зависимостей (6) н (7) нужно знать величину коэффициента Шезн - С, а для использования зависимостей (4) и (5) - значение коэффициента к. Поскольку остальные характеристики, входящие в зависимости (4)-(7), одинаковы, то очевидно, что к=(С^)1/3.

Так как большие (глобальные по К.В Гришанину) вихри имеют определяющее значение в структуре русловой турбулентности и вместе с тем, как уже отмечено, являются наиболее устойчивыми и упорядоченными элементами этой структуры, имеет смысл именно с ними сд.чзьшать величину числа Струхала, значения которого в этом случае составляют в среднем около 0,2, изменяясь (в зависимости от условий на граничной поверхности в приведенном выше диапазоне) от 0,15 до 0,25.

1.2.4. Сопоставление лабораторных данных с натурными

Некоторые свойства двухмерной структуры русловой турбулентности, установленные в лабораторных исследованиях, оказалось возможным сравнить с соответствующими характеристиками натурного речного потока. Сравнивались периоды больших (с вертикальным размером, близким к глубине) вихрей. Прежде всего это было сделано опосредованным путем, . исходя 1« следующих соображений.

Известно, что когда донные гряды находятся в согласованном состоянии с речным потоком (то есть их параметры соответствуют гидравлическим характеристикам потока), на поверхности потока возникают мощные возмущения, сильно насыщенные наносами. Это массы воды, выходящие из водоворотной области подвальев гряд. Механизм этого явления

связан, по-видимому, с неустойчивостью водоворотной области подвалья, состояние которо конкретные моменты времени определяется гидродинамической ситуацией в транзита потоке. Как установлено выше, поток представлен цепочкой больших вихрей, движек которых вызывает наибольшие колебания скорости и давления. Следовательно водовороту область подвалья гряды должна последовательно испытывать то избыточное (пригрузка), недостаточное (обезвешивание) давление. В моменты обезвешивания водные масс находящиеся в подвалье гряды, утрачивают устойчивость и, пронизывая транзитный пот< достигают его поверхности. В этом явлении заключено существо и молярного обмена, механизма сопротивления, и распределения наносов по глубине, и механизма их движение турбулентном потоке.

Если описанный механизм явления близок к действительности, то это приводит к выво о близости значений периодов больших вихрей и периодов возмущений на поверхнос потока.

Ю.М.Корчоха, наблюдая возмущения поверхности потока на р.Поломети, получил : период (при определенной глубине и схоросги течения над гребнем хорошо развитых гря равным 5-10 с.

Используя соотношения (2) и (3), получаем период больших вихрей для этих > гидравлических условий на р.Поломети в среднем равным около 8 с, что весьма близ: результату, полученному Ю.М.Корчохой. Позже автором были выполнены аналогичт оценки применительно к другим, меньшим и значительно большим, чем Полометь, рекам - 1 всех случаях период возмущений, наблюдаемых на поверхности потока, оказывался близки расчетному значению периода больших вихрей.

Далее были выполнены непосредственные оценки периода крупномасштабной пульсавд по времени, соответствующему второму максимуму автокорреляционной функции Я (б^ЬУ,.

Эмпирические графики автокорреляционных функций были построены для разных точ( по глубине потока на вертикалях, приуроченных к напорному склону, гребню и подваль гряды. Измерения выполнены на р.Поломети в половодье 1970 г. Результаты оцени приведены в таблице 2.

Таблица

N точки на вертикали Напорный склон Гребень гряды Подвалье гряд:.'

|1,М Т, с И, м Т, с 1т,м Тгс

1 0.15 13.0 0.15 6.0 0.15 -

2 0.45 4,4 0.25 4.7 0.45 10.2

3 1.64 3.5 0.64 4.0 0.65 4.9

4 - - 1.44 3.3 0.80 4.4

5 - - - - 1.89 3.5

Примечание: Ь - расстояние точки измерений от дна, м;

Т, - период, соответствующий второму максимуму автокорреляционной функции 1

(иш, с.

Данные табл.2 свидетельствуют об изменчивости периода по глубине, что являете следствием определения его из автокорреляционной функции и по существу отражае изменчивость протяженности больших вихрей (и именно - уменьшение продольного размера) I приближением к поверхности потока. Второй вывод, следующий из рассмотрения табл.2 состоит в том, что значение периода Т, в точках, приуроченных к нижней половине потока (гд протяженность больших вихрей наибольшая) в среднем составляет около 8 с, что и дае" основание считать эти вихри ответственными за появление примерно с таким же периодо». возмущений на свободной поверхности потока.

По материалам измерений на р Поломети в половодье 1970 г. были построены зпгары аспределения по глубине осредненных скоростей, предельных (наибольших и наименьших) мнений актуальной скорости, а также значений градиента осредненной скорости, размаха ульсации и интенсивности турбулентности продольной компоненты актуальной скорости, ис.7. На этом рисунке видно, что хотя на каждой вертикали есть определенная специфика в аспределении характеристик по глубине, обусловленная влиянием конкретного участка гряды ' запорного склона, гребня, подвалья), вместе с тем четко обнаруживается закономерность, войственная и потоку в стеклянном призматическом лотке; размах пульсации, определяемый а^большнм ч наименьшим значениями продольной компоненты актуальной скорости, величивается от поверхности ко дну, формируя соответствующий профиль такой нтегралъной характеристики как интенсивность турбулентности. , .

0 40 to 120

I-:—I-,--1

0 8.0 1S0

1_i-1—i_._1

О 20 40

О 4.0

* о-о 2 к-м 3 ^- 4 ,-а 5 j,--6

Рис.7. Распределение характеристик турбулентности по глубине речного потока.

1 - минимальные , 2 - осредненные, 3 - максимальные значения скорости, 4 - среднеквадратичные отклонения скорости, 5 - размах пульсации , 6 - градиент осредненной скорости, а - напорный склон, Ь - гребень, с - подвалье гряды.

Таким образом, один из основных результатов лабораторного исследования .■урбулентносгн руслового потока проярллся и в натурных измерениях продольной ¡оставляющей актуальной скорости: ведущая роль в формировании распределения по глубине штегральных характеристик турбулентности принадлежит предельным актуальным значениям жорости, частота появления которых связана с существованием в потоке больших вихрей, а зеличина существенно зависит от состояния граничной поверхности.

Важное следствие методического характера из этих результатов состоит в том, что они юдтверждают предположение об "одинаковости" структуры турбулентности малых и больших эусловых потоков и нужен лишь инструмент, позволяющий надежно объединить те и другие вместе.

Прежде чем перейти к поискам возможностей такого объединения, нужно было получить информацию и на ее основе сформировать представление о трехмерной структуре русловой |урбулентности. В исследованиях автора такая информация была получена в основном на натурных объектах и частично дополнена затем лабораторными данными (см. п. 1.1).

- 1.3. Трехмерная структура русловой турбулентности

1.3.1. Распределение продольной, поперечной и вертикальной компонент актуальной скорости по глубине потока

Измерения вектора актуальной скорости, выполненные на рр.Гороховке, Вычегде, Поломети и на канале Шават, дали достаточно большой материал, анализ которого позволял установить следующее.

1.Распределение по глубине предельных значений и интенсивности турбулентности продольной компоненты скорости имеет, в общем, такой же характер, как и в лабораторных лотках.

2.Аналогичен лабораторным результатам и общий характер распределения по глубине вертикальной компоненты: максимальные осредненные и предельные значения, а также и максимальные значения интенсивности турбулентности наблюдаются в слое потока, отстоящем на (0,15+0,4)Н от дна. Вместе с тем отмеченное в п. 1.2.2 соотношение предельных положительных и отрицательных значений вертикальной компоненты равное 1.5 натурными данными устойчиво не подтверждается. Более того, в ряде случаев отрицательные значения этой характеристики оказываются (по абсолютной величине) даже заметно большими положительных.

Объясняется это явление тем (как показало дополнительное исследование), что на результаты измерений в натурных условиях накладывает существенный отпечаток структура поля осредненных скоростей, которая, в свою очередь, испытывает влияние руслового рельефа. Это проявляется в том, что траектории осредненных скоростей, как известно, не параллельны линии дна или свободной поверхности, но составляют с ней довольно значительный угол.

В зависимости от расположения вертикали (напорный скат, гребень, подвалье гряды) этот угол может быть положительным, или отрицательным. Методика же измерений актуальных скоростей не учитывает эти особенности структуры поля осредненных скоростей (система прямоугольных координат измерительного средства ориентируется осью ординат строго по вертикали). Поэтому измеренная вертикальная компонента актуальной скорости, верно отражая общий размах пульсации, может бьггь несколько искажена в положительных н отрицательных значениях. Положительные значения оказываются завышенными, а отрицательные - настолько же заниженными, если угол осредненного течения с горизонталью положителен (то есть осредненное течение направлено от дна к поверхности), и наоборот - в случае отрицательного угла.

Учитывая эти обстоятельства, соответствующие характеристики представлялись в виде средних (полусуммой положительных и отрицательных) значений.

3.Распределение по глубине поперечной компоненты актуально!" скорости, представленное эпюрами осредненных и предельных значений и эпюрой интенсивности турбулентности, имеет такой же вид, как и распределение соответствующих характеристик вертикальной компоненты. Здесь также обнаруживается определяющая роль предельных значений в формировании профиля осредненных значений и интенсивности турбулентности. Вместе с тем максимальные значения характеристик поперечной компоненты размещаются несколько ниже, в зоне (0,1-0,3)Н от дна. ч

В целом по глубине значения поперечной компоненты оказываются несколько большими значений вертикальной компоненты и меньшими значений продольной компоненты. Отношения и,гЖ'3У'2 в среднем по глубине (по данным измерений на р.Турунчуке) равны 16:1,9:1.

1.3.2. Масштаб пульсационных скоростей

Если абсолютные значения пульсшмоннон скорости отнести к динамической скорости, результаты измерений, полученные в ~ разных условиях, образуют - довольно тесные ниверсальные) распределения по глубине. Первым обратил на это внимание Б А Фидман, тем И.К.Никитин воспользовался динамической скоростью как масштабом для объединения одном графике данных о вертикальной компоненте скор оста, полученных в разные

Y/H 1.0 01 о»

0.4

«г

О 0.3 1.0 т/с о 10 20 30 см«

l/max, 0,1/ш!п UUBKC, Ц I/UUH

■VuaKC/V-V/V *ЧЛ" Vuaxc/V (UuaKc-UuuHpV • - натурный попок, о - лабораторный поток я лот«?»

Рис.8

повиях. Связь среднеквадратичных значений вертикальной компоненты с динамической эростью оказалась достаточно надежной.

Автор проверил возможность такой связи на предельных значениях актуальных зростей. На рис.8 приведены эпюры распределения по глубине пульсационных скоростей, меренных в лабораторном лотке и в речном потоке. Несмотря на большое различие в змерах потоков (глубина в реке 1,8 м, а в лотке 0,1 м) характер распределения и личественные показатели в масштабе динамической скорости оказываются весьма близкими < для продольной, так и для вертикальной компонент, как в осреднении*, так. и и предельных 1чениях.

Существо такой связи понятно, если принять во внимание, что динамическая скорость m скорость турбулентного трения) характеризует именно молярный обмен в потоке. В связи

этим понятно, что эта величина является по существу не аргументом, а функцией и ее зчение определяется интенсивностью молярного обмена и следовательно пульсацнонными эростями. Однако именно в обратном варианте эта связь представляется ценной, поскольку я условий равномерного (или близкого к равномерному) потока динамическая скорости ределяется простым выражением и поэтому может быть удобным инструментом для опенки чьсаиконных скоростей

V.=7'¿Ш (8)

Здесь g - ускорение силы тяжести, Н - глубина и I -гидравлический уклон потока.

1.3.3. Характерные значения пульсационных скоростей

Используя резу;.отаты натурных п лабораторных измерений актуальных скоростей, авт< построил графики связи различных характерных значений пульсационных скоростей динамической скоростью. На рис.9 приведен пример такой связи для максимальных значен! вертикальной компоненты. Как в данном случае, так и в других эта связь оказалась линейно что позволило определить коэффициенты связи и построить следующие соотношения:

для осредненного по глубине размаха пульсации продольной компоненты актуальнс скорости

Умакс

0123456789 V* см/с

Рис.9. Связь максимальных значений вертикальной составляющей скорости с динамической скоростью потока

1-лоток с шврохоятым днои, глубина 5 с и, ширина 21 си, 2 - лоток с ровный металлическим днои, глубина 10, 20 и 30 си, ширине 100си,3-р.Гэрохоека, 4 - канал Шават, 5 -р Попотеть, б - р.Зычегда.

ДЦ,.. = 5,0 V.,

(9)

для осредненных во времени и по глубине положительных и отрицательных значен вертикальной компоненты

Р«. = 0,41К.. (10)

для наибольших осредненных по глубине положительных и отрицательных значен вертикальной компоненты

У «и. - 1.28У. , (11)

для осредненных во времени и но глубине положительных и отрицательных значен поперечной компоненты

Ш». =0,50К., (12)

для наибольших осредненных по глубине положительных и отрицательных значен поперечной компоненты

И'шт.«.». = 1,65 V., (13)

для наибольших значений размаха пульсации продольной компоненты вблизи дна ■ Д(/ ым. - 6,8 V. , (14)

для наибольших положительных и отрицательных значений вертикальной компонент! зоне (0,15+0,40) Н от дна

И„„. = 1,75У. , (15)

для наибольших положительных и отрицательных значений поперечной компоненты в

оне (0,10+0,30) Н от дна

= (16)

Учитывая принадлежность предельных значений актуальной скорости к большим вихрям, гриходим к выводу, что соотношения (9), (11), (13)-(16) реализуются в потоке с [ернодичностью, оцениваемой соотношениями (5), (6).

Проверка соотношений (9)-(16) результатами измерений на р Поломети на 5 вертикалях в <ивом сечении гидроствора в целом показала удовлетворительное соответствие расчетных и вмеренных значений. Однако, лабораторный эксперимент в лотке с очень крутыми грядами см п. 1.1) обнаружил большое расхождение измеренных и расчетных значений вертикальной и оперечной компонент, по продольной же компоненте получилось практически полное овладение расчетных и измеренных значений.

Хотя первоначально этот результат объяснятся исключительно характером граничных словий, все же остаются основания, в основном методико-технического характера, к более щательному исследованию других возможных причин. В этом отношении были предприняты пределенные попытки усовершенствования средства измерения.

1.3.4. Трехмерная структура турбулентности

Согласованность периодов продольной и вертикальной компонент была достаточно згументирована при рассмотрении двухмерной модели турбулентности. Согласованность ериода поперечной компоненты с продольной и вертикальной подтверждается наличием

«чительного "всплеска" ка одномерных частотных спектрах, соответствующего одной и той е чзетоте для всех трех компоне1гт и продольному масштабу болышгх вихрей около 411 пмерения на р.Турунчук). Подобные же "всплески" в ходе спектров всех трех компонент йлн обнаружены измерениями на р.Поломети при безгрядовой поверхности дна. Один из них данном случае соответствовал вихрям с продольным размером около 7,0 Н. то есть именно эльшим вихрям, с которыми связаны предельные значения ттулъсационных скоростей

Если цикличность колебаний компонент актуальной скорости примерно одинакова, то с 1етом продольно-винтового характера движения частиц воды в граничной области больших «рей их поперечный размер можно в первом приближении оценить соотношением о... Это отношение равно 1.3 Следовательно, если за пространственный масштгб зинять глубину потока Н, то поперечный размер больших вихрей определится соотношением

а = 1,3 Н (17)

или в более общем виде

а = тН, (18)

где т - коэффициент, учитывающий условия на граничной поверхности аналогично >эффициенту к в зависимости (4).

Из (17) и (1Я) следует, что речной поток должен состоять из некоторого числа !кроструй, в пределах которых формируются прежде всего большие вихри В пределах 1льш!!х онхреи и в целом макроструй осуществляется продольно-винтовое движение 1ДКОСГИ.

Способность потока формироваться в макроструи была показана И.Ф.Карасевым. Для (енки условий формирования макроструй им предложено соотношение, названное критерием азиоднородности потока. Критерий записывается в виде

..ШН41 (19)

Здесь В - ширина потока, Н - средняя глубина, X - коэффициент гидравлическог сопоотивления. Как видим однородность или расчлененность потока зависит не только о формы русла, но и от условий на граничной поверхности, определяющих гидравлическо сопротивление. Поток считается нерясчлененным на струи, если 1 < В/Н\[Л <4.5. 3 пределами этого соотношения в потоке формируются макроструи.

Экспериментально макроструи были обнаружены Н.И.Зайцевым (1985) в лабораторно: лотке. Они проявились на профилях осредненных продольных скоростей по ширине легка: зонах контакта соседних макроструй осредненная скорость имеет несколько меньшее значен№ чем в центральной части макроструй.

Следует заметить однако, что данных, непосредственно характеризующих свойств макроструй как структурного элемента турбулентности, практически нет. Такие данные могл бы быть получены прежде всего в лабораторных лотках измерением поля актуальны скоростей с помощью киносъемки в поперечном сечении потока. Это довольно сложный техническом отношении эксперимент, но соображения по его осуществлению есть.

1.4. Практическое использование результатов исследования структуры

речной турбулентности

Результаты исследований структуры речной турбулентности использовались пр обосновании длительности измерения колеблющегося уровня воды и скорости течения в рекг и лабораторных лотках для расчета средних значений этих характеристик. Зависимости дт оценки характерных значений вертикальной компоненты актуальной скорости в комплексе данными о гидравлической крупности русловых наносоя использованы как показатель форм их движения. Зависимости для расчета всех трех компонент пульсационной скорост применялись в расчетах разбавления промстоков на р.Амуре у г.Амурска, а в последнее время в оценках распространения нефтяного загрязнения в случаях аварийных разливов нефти.

В рамках же данного диссертационного доклада эти результаты использованы п{ определении форм взаимодействия руслового и подруслового потоков и при обоснован» методики воспроизведения речных потоков на гидравлических деформируемых моделях,

2. ПОДРУСЛОВОЙ ПОТОК И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С РУСЛОВЫМ ПОТОКОМ

Обычно, исследуя какие-либо процессы в речном потоке, его рассматривают пространстве, ограниченном поверхноегью речного ложа. Между тем вода, находящаяся аллювиальных речных отложениях, через пустоты между частицами грунта вступает непосредственный контакт с речным потоком, образуя подрусловой поток. Представляет логичным допустить взаимодействие обоих пого-лв и предполагать какой-то механизм это взаимодействия.

Измерения схорости потока, выполненные Г.В.Васильченко (1973) в лабораторном лот электрохимическим методом, показали, что ?пюра продольных скоростей не завершается I поверхности дна, а продолжается в зернистой толще наносов, достигая близких к нул значеннй лишь на некоторой глубине. Этими же измерениями была обнаружена пульсац скорости в подрусловом _ потоке. Лабораторные исследования В.Н.Спиридонова (198 показали, что профиль осредненной скорости в подрусловом потоке определяет гидравлическими характеристиками руслового потока и крупностью зернистого материи Фильтрационные явления при нестационарном воздействии на грунт детально изучали

[ Богомоловым, В.С.Алтуниным, Н.А.Петровым, А.М.Прудовским, В.А Кисиным (1975) в пело.<аниях размыва грунта волной прорыва Экспериментальными исследованиями ..Михайловой и ее сотрудников, В П Троицкого, Д В Штеренлихта и М.В ЗемляппиковоП 58) установлено влияние фильтрационного потока на значения неразмывакзщих скоростей.

:аракгер«стики руслового рельефа Движение воды а пустотах зернистой толщи ог.ю,;..ениГ1 ю обнаружено Н.Е Кондратьевым (1953), изучавшим механизм рассеяния энерщи стоячей ны в волновом лотке

. 1. Интегральный эффект взаимодействия руслового и подруслового

потоков

Эксперимент Н.Е.Кондратьева со стоячей волной чрезвычайно нагляден. Автор гоящего доклада повторил его, довозыю ¡шроко мрьируд крупной о груи^ •являющего фильтрующий слой отложений, я гт/гиной веда Эксперимент*! вилол'клясь 1ехсекционном волновом лотке. Условия в секциях отличались состоянием дна. в первой ши дно (также как и три вертикальные стенки) было выполнена из окрашенного ровного алла, во второй секции на дно выкладывался песок пли гравии слоем в одну частицу, в ъей - такой же грунт, но слоем около 30 см. Для возможности наблюдения и киносъемки :дняя стенка лотка была стеклянной. Синхронизированными волнопродукторами ьо всех : секциях создавались стоячие волны, затем волнопродукторы мгновенно убирались и подалось затухание волн с измерением времени затухания. Основной вывод из этой серии экспериментов состоит в том, что в диапазоне мотрекных глубин затухание волны над фильтрующим слоем грунта (особенно при шых частицах) происходит существенно быстрее, нежели н соседней секции, с оховатым дном (той же крупности)

Наблюдения за поведением воды в фильтрующем слое грунта и киносъемка частиц :вой плавучести, размещенных з небольших сетчатых боксах а разных частях ьтрующего слоя, обнаруживают сложные ее движения. Эти дннжения в цел^м как бы "оряют движение волны, но несколько не согласованы с ней по фазе

Материалы первой и ¿торой серий экспериментов приводят к выводу о том, что и льтате воздействия волны на воду, заключенную в фильтрующем слое, между этой водой и ¡ой образуется молярный обмен, не согласованный с движением полны. Это и вызывает мсивное гашение энергии волны и, следовательно, быстрое ее затухание. Автор допустил аналогию между волновым движением и движением больших зттхрей в овом потоке, поскольку и волна, и большие вихри вызывают изменение скорости и ения в предельных значениях.

Эксперимент в русловом лотке проведен с ружейной свинцовой дробью диаметром 2,25 Выбор именно этого материала в качестве донных наносов позволил получить почти льно ровную поверхность зернистого дна и, таким образом, исключить влияние других

оров на потери энергии руслового потока. Как и а экспериментах с волной дробь вдывалась на дно руслового лотка слоем а одну частицу и фильтрующим слоем толщиной . При этих условиях эксперименты проводились при разных скоростях к глубинах потока ■о около 50 опытов) Результаты приведены на рис 10, из рассмотрения которого можно зть следующие выводы

1) В диапазоне имевших место о эксперименте глубин и скоростей течения четко чляется эффект повышения сопротивления за счет фильтрующего слоя.

2) При постоянном значении скорости течения эффект возрастания сопротивления ивастся с уменьшением глубины, а при постоянной глубине - с увеличением скорости ка.

3) Влияние фильтрующего слоя на сопротивление наиболее четко проявляется п| довольно больших числах Фруда.

Последний вывод может интерпретироваться следующим образом. Если допустить, ч-русловой поток будучи внутренне нестационарным, индуцирует в фильтрующем слое грун (также как и в случае со стоячей волной) движение воды, приводящее к молярному обме! через граничную поверхность, то следует допустить и то, что этот обмен значительно мен интенсивен, чем в случае со стоячей волной. Это происходит потому, что нестационарное руслового потока, даже на уровне внешних масштабов турбулентности (то есть болыип вихрей) отиоагтельнс мала по сравнению с нестационарнсстью, вызываемой волновь движением.

М тивмчмма укпои* а маисямости от условий мвфвкицо разделе 'поюв-доо*

Тем не менее обнаруженное1 этим опытом взаимодействие руслового и подрусловс потоков предопределило необходимость более детального его исследования. В связи с зт были выполнены еще три серии экспериментов. Первая серия экспериментов явил; продолжением опыта с ружейной дробью, но выполнялась уже с естественными песка разной крупности. Песок выкладывался на дно лотка слоем в одну частицу (наклеен! шеро .оватость) и слоем около 3 см. В экспериментах изменялась глубина потока, при эт скорость течения поддерживалась в диапазоне значений близких к размывающим.

Результаты представлены на рис.11 в виде зависимости гидравлического уклона крупности частиц и глубины потока в вариантах: наклеенной шероховатости и фильтрующ< слоя песка. Сопоставление графиков позволяет заключить, что влияние шероховато« (наклеенные частицы) и фильтрующего слоя частиц на гидравлическое сопротивле» проявляется сильнее в области малых глубин и заметно сглаживается с переходом к больш глубинам. При глубине 8 см все графики сходятся в довольно узкий пучок с практиче« одинаковыми значениями уклона для соответственных крупностей в обеих группах. В л О' шириной 21 см дальнейшее узеличение глубины вызвало бы влияние на сопротивле! боковых стенок, поэтому опыты были ограничены глубиной 8 см. Однако тенденция графш в обеих группах опытов допускает предположение об автомодельности гндравлическ< сопротивления при некоторых значениях относительной шероховатости. Экстраполя! графика для песга крупностью 0,1 мм выводит его в область автомодельности при глуб| около 10 см, то есть при относительной шероховатости около 0,001. Такое же значе! границы области автомодельности по относительной шероховатости было получ' К В Гришаниным (1974) по материалам натурных наблюдений.

Рис И. Графит связи ) И(Н.О)

2.2. Динамическое взаимодействие руслового и подруслового потоков

Предположение о молярном обмене между русловым и подрусловым потоком влекло за >бой допущение о возникновении на границе раздела вертикальных импульсов, направленных I подруслового в русловой поток или в обратном направлении. Наличие таких импульсов танавливалось путем визуального наблюдения за поведением тяжелой частицы специальной эрмы, установленной на зернистом дне потока в 8-метровом русловом лотке

Тяжелая частица представляла собой усеченный конус (вкладыш) с основанием, Зращенным к Поверхности потока. Вкладыш помещался в соответствующую ему по форме айбу таким образом, что верхняя и нижняя плоскости его являлись точно продолжением ютветствующих торцевых плоскостей шайбы, а коническая поверхность его была притерта к гутрсиней конической поверхности шайбы. Обе детали изготовлены из оргстекла толщиной О мм, диаметр верхней плоскости вкладыша 16,0 мм, нижней - 10,5 мм. В собранном виде обе ¡тали устанавливались заподлицо с поверхностью плоского дна, выложенного слоем гравия шщиной 6,0 см. Конструкция тяжелой частицы и способ ее установки на дне сводили к инимуму воздействие силы лобового гидродинамического давления и позволяли хотя бы 1чественно оценить роль подъемной силы (связанной не с несимметричным обтеканием 1СПЩЫ осредненным потоком, а именно с формированием мгновенных гидродинамических ггуаций в придонной области руслового потока и в верхних слоях подруслового) во вешиЕании тяжелых частиц.

Опыт проводился с гравием крупностью 2-3, 4-5 и 6-7 мм Масса этих частиц гравия в >де составила соответственно 0,0003; 0,025; 0,159 и вкладыша - 0,177 г.

В первой ситуации вкладыш был взвешен при скорости потока 77,0 см/с (Н = 5,0 см, ] 0,0132), во второй - при скорости 55,0 см/с (Н = 5,0 см, I = 0,0070); в третьей - при скорос 51,4 см/с (Н = 5,0 см, 1 = 0,0066).

Во второй ситуации при скорости потока 50,0 см/с (Н = 5 см, ] = 0,0062) удало-наблюдать в микроскоп вибрацию вкладыша. Подскакивание вкладыша осуществлялось I высоту в несколько десятых долей миллиметра, причем часто приподнималась часть вкладыш обращенная вниз по течению, то есть тыловая. Для того, чтобы убедиться в правомерное! распространения обнаруженных процессов на естественные частицы грунта, авте зафиксировал движение частиц песка в русловом лотке скоростной кинокамерой СКС-1'Л Этот методический прием, примененный pai.ee Ц.Е.Мирцхулавой при изучении раэмьи связных грунтов, позволил установить, что выталкивание частиц песка в поток действие подъемной силы является преимущественной формой выведения их из состояния покоя пр скорости потока, достаточно превышающей неразмываю щую скорость. Продольна (переносная) скорость таких частиц существенно превышает окружную скорость, а в движем приходят сразу значительные группы частиц Периодичность взмыва групп части соответствует периоду крупномасштабных вихрей.

Этот эксперимент наглядно продемонстрировал наличие динамического взаимодействи руслового и подруслового потоков. Некоторые детали этого взаимодействия и существ механизма были обнаружены инструментально в третьей серии экспериментов.

2.3. Некоторые черты структуры и механизм динамического взаимодействия подруслового потока с русловым потоком

С помощью миниатюрных термоанемометров исследовался характер пульсации скоросп п русловом и подрусловом потоках. Один термоанемометр устанавливался на середине лотка непосредственной близости от дна, а второй - на этой же вертикали, но ниже поверхности дна в толще грунта. В каждом эксперименте при глубине 5 см скорость потока постепешк увеличивалась до значений, соответствующих состоянию предельного равновесия части! данной крупности, и в такой ситуации измерения повторялись до 4 раз при неизменно» по по .кснии первого (верхнего) термоанемометра и последовательном заглублении в грун" второго. Сигналы обоих приборов синхронно регистрировались на ленте самописца.

Поскольку условия измерений были несколько необычными (измерения в грунте значительное искусственное усиление сигнала грунтового термоанемометра) и не было полно{ уверенности в объективности измеренных значений скорости, анализировался лишь характер пульсации, а именно - периоды пульсации и степень их синхронности.

Приведенные в табл.3 результаты этих измерений позволяют констатировать следующее:

1). В русловом и подрусловом потоках наблюдаются крупномасштабные пульсацис скорости двух характерных периодоп: основного продолжительностью 1,5 - 7,5 с и в предел» него двух-трех вторичных продолжительностью 0,5-3,5 с.

2). Наиболее близки периоды в той ситуации, когда грунтовой термоакемометр расположен на уровне нижней грани частицы верхнего ряда. С заглублением грунтового термоанемометра наблюдается рост периода пульсайии обоих масштабов.

3). Характерные пиковые значения в записи сигналов грунтового термоанемометра наблюдаются с некоторым запаздыванием относительно прибора в русловом потоке. Время запаздывания увеличивается по мере заглубления грунтового термоанемометра и с уменьшением крупности грунта.

4). Пульсация в подрусловом потоке обнаруживается только при больших значениях коэффициента усилешм грунтового термоанемометра. Это свидетельствует о том, что

Таблица 3

Гидравлические и кинематические характеристики руслового и подруслового потоков с розным дном, сформированным из грунта

разной крупности

N опыта Крупность грунта, б, мм Расход е оды, Ол/с Глубина, Н, см Скорость потока, и, см/с Уклон, / Заглублзние грунтового термоанемо метра от поверхности дна, см Периоды крупномасштабной пульсации в потоке, Тп, с Периоды крупномасштабной пульсации в грунте, Тг, с Время запаздывания максимума в грунте, 1, с Отношение коэффициентов усиления, грунтМоток

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ю 11

1 0 10 0 85 5.0 17,0 0 С0052 0 10 0.01-0 05 0 00-0 01 6.0 и 2.0 7.4 и 3.5 7.4 и 3.5 6.0 и 2.0 1 0 0.5 0 1-0 3 10 4 1

2 0.10-0 20 0.90 50 18.0 0.00055 0 10 0.03-0 05 0 00-0 02 5.3 и 1.8 7.5 и 3.5 6.3 и 2.2 5.7 и 2.9 0.5-0.9 0 2-0.5 0 1-0 3 4 2 1 <

3 0.20-0 32 1 00 5.0 20.0 0 00058 0 20 0 10 0 03-0.05 0 00-0.02 4.9 и 1.6 6.0 и 3.0 6.0 и 3.3 5.7 и 3.3 5.1 и 2.6 0 1-0 6 0 2-0 7 0 1-0 4 10 10 10 1

4 0.32-0.63 1.10 5.0 22.0 0.00091 0 25 0.10 0 00-0 12 4.1 и 1.4 5.2 и 2.0 4Д и 1.7 0.1-0.5 0 1-0 3 20 4 1

5 0.63-1.00 1.25 5.0 25 0 0.00111 0.30 0.20 0 10 3.6 и 1.2 5.1 и 2.0 4.0 и 2.0 0 1-0.5 0 1-0 3 10 4 1

6 1.00-1.40 1.50 5.0 30.0 0.00195 0 £0 0 50 0 20 3.0 и 1.0 4.1 и 2.0 3.9 и 2.0 0.1-0.3 0 1-0.3 10 4 1

7 2.0-3.0 2.20 5.0 44.0 0 00415 2 5 1.5 0 5 1.5 и 0.5 (.7* 0.3 ИкМ 2.5 1

пульсация скорости (и, следовательно, давления) существенно уменьшается с удалением от границы раздела в толщу грунта.

Два последние вывода представляются наиболее существенными, потому что они составляют существо (то есть механизм) динамического взаимодействия руслового и подруслового потоков: подъемная сила, воздействующая на частицы руслового аллювия нг границе раздела, формируется разностью мгновенных значений давления на верхней и нижней гранях частиц, а эта разность зависит при прочих равных условиях от амплитуды пуль'-ацил давления на нижней грани частиц и от времени запаздывания.

К.В.Гришанин, рассматривая воздействие турбулентного потока на частицы грунта, отмечает (Динамика русловых потоков, 1979 I.): "Подъемная сила, приложенная к частице, лежащей на дне, образуется разностью между давлением в заторможенной жидкости пол частицей и давлением в ускоряющейся жидкости над ней. В турбулентном потоке эта разноси колеблется вместе с пульсирующей продольной скоростью, и подскакивание частии происходи в моменты максимумов V. Заметим, что нормальная ко дну компонента мгновенной скорости никакой роли в захвате частиц потоком не играет, ибо при г = 4 она очень мала".

Рассматривая аналогичные процессы в порах связного грунта, И.Ф.Карасев (1970] обратил внимание на возможность возникновения несинхронизированных ситуаций в поле давления и назвал этот эффект фазовым сдвигом.

Если фазовый сдвиг обозначим через характерный период крупномасштабной пульсации в русловом потоке через Т, а соответствующие этому периоду амплитуды пульсации (скорости или давления) в русловом и подрусловом потоках соответственно через А1 и А:, то с помощью этих величин можно составить критериальные соотношения, характеризующие особенности взаимодействия руслового и подруслового потоков и условия устойчивости частиц, слагающих русло. Выделяются три характерные случая взаимодействия руслового V подруслового потоков.

Первый случай характерен для русея, сложенных очень мелкозернистым аллювием. В этой ситуации нестационарность руслового потока из-за сильного демпфирующего влиянии мелкопорнстой аллювиальной среды практически ие воспринимается этой средой, и поэтом) поля ск1 рости и давления в ней характеризуются осредненными и постоянными во временя значениями. Это значит, что все гидродинамические процессы в русловом пстоке и ш ограни"ивающей его поверхности определяются только свойствами самого руслового потока, Критериальные соотношения для этого случая могут быть записаны в виде

Д1»Т; Аг-*0 Г (20)

Второй случай взаимодействия руслового н подруслового потоков характерен для русел с более крупным, чем в первом случае» аллювием. Нестационарность руслового потом формирует в подрусловом потоке флуктуирующие поля скорости и давления, характеризуемые фазовым сдвигом и меньшими, чем в русоовом потоке, амплитудами. В этой ситуации подрусловой поток уже оказывает клавшие ш процессы в русловом потоке и, в частности, на формы перемещения русловых шю и на размеры донных гряд (микроформ), Критериальные соотношения для этап» случая взаимодействия руслового и подрусловогс потоков записываются в виде •

0<Д1<Т, 0<А1<А, (21)

Здесь можно допустить случай, кшда фазовый сдвиг Д( = 1/2Т. Он соответствуеп наименьшей устойчивости русловых маиосоа, поскольку в этой ситуации формируется максимально возможный подъемный импульс. Этим, по-видимому, объясняется и тот факт, что микроформы руслового рельефа, генетически связываемые с макротурбулентностью, тем не менее в разных условиях имеют разные размеры: проявляется сформулированный К В Гришаниным принцип избирательной способности системы поток-русло, заключающийся

гом, что в конкретных условиях сочетания гидравлических характеристик определяющим в здействии потока на деформируемое дно является-не весь спектр масштабов турбулентности, тишь узкая его полоса. Отметим, что механизм избирательной способности системы поток-сло и заключается именно в способности конкретных масштабов турбулентности >рмировать максимально возможный подъемный импульс, что обеспечивается при условии =1/2Т (при этом Т - период не обязательно самых больших вихрей, но и вихрей второго и жетре1ьего порядка малости).

Третий случай взаимодействия руслового и подруслового потоков характерен для астков рек с крупным русловым аллювием, при котором нестационарность руслового потока спространяется в подрусловой поток без задержки по фазе и без изменения по амплитуде о, по существу, состояние отмостки русла, когда русловые наносы не испытывает действия дъемного импульса или этот импульс оказывается крайне малым. Очевидно, что этот случай ?актеризуется незначительными русловыми деформациями. Критериальные соотношения я него имеют вид

Д t ->0; Аг—> Ai (22)

Приведенные здесь результаты оказались полезными в эадгче установления условий добия речных потоков, воспроизводимых на гидравлической деформируемой модели.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЧНЫХ ПОТОКОВ НА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ

МОДЕЛЯХ

Достаточно большой опыт работы автора и его коллег по Отделу русловых процессов И, а также в целом отечественный и зарубежный опыт работ на гидравлических жестких делях речных русел свидетельствует о том, что выполнение условий

Re* > Re„ (23)

Fr = idem (24)

сзывается достаточным чтобы рассчитывать на удовлетворительную работу модели в части юбня осредненных характеристик потока: распределения глубин и скоростей течения терек и вдоль русла, распределения расхода воды по рукавам и частных расходов в горукавном русле, продольных и поперечных уклонов поверхности потока. Однако при этом ;нач(ггельном числе случаев для выполнения условия (23) приходится масштаб глубин начать более крупным по сравнению с плановым, тем самым искажая в целом форму русла .стали его рельефа. И практически почти всегда для выполнения условия (24) приходится авать модели дополнительную искусственную шероховатость тем большую, чем больше ерализован (усреднен) действительный рельеф речного русла и чем больше мера о ответствия горизонтального и вертикального масштабов, то есть искажение модели. Этой рацией достигается подобие модели и натуры по гидравлическому сопротивлению При м размеры шероховатости определяются эмпирическим путем, то ест:, последовательным [блнжением глубин и уклонов поверхности модельного потока к расчетным значениям.

Усложнение задачи исследований на жесткой гидравлической модели (например, ледование разбавления сточных вод, исследование структуры течений у гидротехнических ружений) влечет за собой и более жесткие требования к самой модели (например, эование одинаковости планового масштаба и масштаба глубин).

Переход от жесткой к деформируемой модели речного потока существенно увеличивает гав требований к модели, что сильно усложняет работу на ней и в целом ограничивает можности моделирования по ряду известных причин.

И тем не менее, исследования речных потоков на деформируемых моделях как рубежом, так и в России предпринимались давно и продолжаются до настоящего времени.

Известно, что первая деформируемая модель участка р.Гаронны была построе ЛЖФаргом в 1875 году, и на ней исследовались выправнтельные сооружения. Дж.Ша] сообщает (1984), что О.Рейнольдс в 1885 году изучал течения в условиях приливов и отлив на деформируемой модели эстуария р.Мерси. После подачи на модель 6000 приливо-отливш циклов сформировалось русло, по форме близкое к натурному (хотя масштаб глубин на эл модели был в 26,7 раза крупнее планового, и в связи с этим встает резонный вопрос: по каю же признакам оценивалась близость формы модельного и натурного русел).

Попытки создания деформируемых модел.'й в лабораториях Германии в начале XX ве оказались неудачными: в процессе опытов русло модели покрывалось рифельными песчаньн формами, которые создавали слишком большое гидравлическое сопротивление, и моде становилась неподобной прототипу не только морфологически, но и по основт гидравлическим характеристикам (глубинам, скоростям течения, отметкам и уклонам вод» поверхности). Иными словами: элементы руслового рельефа становились помех эксперименту. Рекомендовалось даже выглаживать эти русловые формы перед выполнени измерений на модели (что, по мнению автора, совсем не поправляет дело).

К настоящему времени есть достаточно много предложений как в части мегодическо обоснования (и, в частности, выработки условий подобия), так и в части техническо обеспечения модельных исследований. Назовем здесь предложения Ф.Винкеля (192' X.Фогеля (1933), М.З Абрамова (1933), Х.Крамера (1934), И.В.Егиазарова (1935), приведена в монографии А.П.Зегжды (1938), а также предложения М.АВеликанова (1955), ОВ. Андрее] И А.Ярославцева, Г.А.Малютина (1958), И.И.Леви (1960), С.Т.Алтунина (1949), (195 В.С.Алтунина (1967, 1972), А.В.Караушева (1948), В.К.Дебольского, Л.Д.Коган, Н. Михайловой (1976), И.К.Ниюггина (1980), В.АСкрыльникова (1977, 1978), ДМ.Де Ври (1969), Р.А.Акхерса (1973), М.С.Ялина (1973, 1977), Дж.Цвамборна (1965, 1966), М.А.Михале (1975, 1982, 1989), Дж.Шарпа (1984), В.М Лятхера и А.М Прудовского (1984), Н.С.Знаменск (1976, 1992).

Несмотря на различия содержащихся в этих и других работах предложений общим д них яв мется то, что в подавляющем их большинстве рассматриваются пробле« бестгрухтурного транспортирования наносов потоком. И лишь немногие рекомендации (в т числе М.С.Ялина, Дж.Цвамборна, Н.С.Знаменской и др.) направлены на учет микрофо руслового рельефа в транспортировании наносов. В этой второй группе рекомендаций совс немного предложений, и в их числе предложения О.В.Андреева, И.А.Ярославце Г.А.Малютина (1958) и М.А.Михалева (1989), о необходимости воспроизведения на моде подвижных форм руслового рельефа подобных таховым на моделируемом участке реки.

В целом современное положение в рассматриваемой проблеме хараетерно отсутстви единства мнений не только в деталях, но и по принципиальным вопросам. По этому повс Дж.Шарп, подводя итог обзорной части (1984), замечает. "Однако, несмотря на достигнут успехи, моделирование размываемых русел по-прежнему вызывает полемику, проектирование моделей в значительной степени определяется влиянием эмпирическс начала".

Автором предпринята попытка развития гидроморфологического подхода к пробле моделирования речных потоков на деформируемых моделях. Полученные в этом направлен результаты пока рассматриваются на уровне физических предпосылок к методике, то есть уровне выяснения тех свойств взаимодействующих сред и тех механизмов их взаимодейств! которые в совокупности оказываются определяющими в формировании морфологическс облика реки.

Основополагающим в этом подходе является замена несколько неопределенного терми "деформируемое русло" вполне определенным термином "русловой процесс" реки. Эт

(зачеркивается первостепеиность естественных морфологических изменений русла и поймы, остоянно происходящих под действием геку"щей воды, то есть речного потока редстэвляется, что все другие виды деформаций (связанные обычно с хозяйственной гятельносгью) должны восприниматься и изучаться наложением на основной естественный /еловой процесс Точно также и структура речного потока прежде должна восприниматься а глом сформированной естественной морфологией русла и уже затем в вариантах накладки на гот исходный фон каких-либо дополнительных и локальных воздействий.

Русловой процесс понимается в данном случае в категориях гидроморфологической Юрии ГТИ (Н.Е.Кондратьев, И В Пгпов, В Ф Снищенко 1982), то есть с учетом дискретности орм транспорта наносов, с учетом разных структурных уровней организации этих форм и зойственных этим структурным уровням закономерностей, определяющих поведение потока, деловых форм и механизм их взаимодействия

В связи с этим и деформируемая модель речного русла понимается автором не как одель, на которой вообще происходит движение наносов или местный размыв у •.—кого-либо зоружения, а как модель, на которой воспроизведен прежде всего руслрпой процесс следуемого участка реки.

Поскольку с переходом от низших структурных уровней организации форм движения зчных наносов к высшим существенно возрастает и комплекс определяют^ факторов, автор граничивает задачу рассмотрением возможности моделирования только внутрирусловых орм движения наносов (в категориях гидроморфологической теории руслового процесса ГТИ 'о отдельно взятые частицы или группы частиц, микроформы и мезоформы). При этом езоформы в большинстве случаев воспринимаются как некоторый скелет руслового рельефа, эторый воспроизводится заранее, при первоначальном формировании рельефа модели, а икроформы воспринимаются как те элементы руслового рельефа, которые должны зразовываться и затем перемешаться под действием поданного на модель водного потока

Предполагается, что при обеспечении геометрического и динамического подобия на зовне отдельных частиц и мнкроформ на работающей модели обеспечивается также «метрическое и динамическое подобие мезоформ.

Условие обязательности геометр>1ческото подобия русловых форм следует из известного эложения о том, что образованные потоком формы далее сами оказывают влияние на его "руктуру и на осредненные гидравлические характеристики его движения (то есть ;уществляется именно взаимодействие потока и русла, из чего следует, что подобными могут ргть только потоки, протекающие в подобных руслах). Это значит, что при моделировании делового процесса (i: стремлении при этом к достижению по возможности более точного здобия) назначение разных по величине масштабов плана и глубин недопустимо В зотивном случае на модели может произойти смешение мнкроформ, соизмерим',;х с глубинон зтока, с мезоформами, соизмеримыми с его шириной, и, как следствие, полная утрата сути голового процесса и особенностей движения потока.

Требование подобия русловых форм выражается соотношениями

H/hr = idem (25)

hA = idem (2b)

Ucp/Cr = idem (27)

Здесь H, hr, lr, С, и U cp - соответственно глубина потока, высота, длина и скорость ¡ремепк'ния гряд, среаняя скорость потока Условия обеспечения требований подобии 'еловых форм (25) - (27) выражаются соотношениями

Н/В = idem (28)

d/H = idem

(29)

Ucp/Uo = idem (30)

Здесь В - ширина русла, d - диаметр русловых наносов, U. - характерная, например, размывающая скорость потока.

Покажем, что условие (28) должно быть выполнено и при моделировании гидродинамических процессов на деформируемой модели, то есть при моделировании собственно руслового потока. Но прежде именно здесь уместно раскрыть смысл некоторые понятий, упоминавшихся в предисловии доклада и характеризующих связь потока с ограничивающей его деформируемой зернистой поверхностью. Представление о том, что рельеф речного дна есть отпечаток кинематической структуры потока (В.М.Маккавеев, 1959) или чго микроформы руслового рельефа связаны своим происхождением с макротурбулентностью (Н.Е.Кондратьев, И.В.Попов, Б.Ф.Снищеико, 1982), становится физически понятным, сс.м принять во внимание представления об избирательной способности системы поток-русло (К.В.Гришанин, 1979) и о квазиоднородности структуры потока (И.Ф.Карасев, 1970). С учетом этих представлений оказывается, что продольные и поперечные размеры микроформ руслового рельефа определяются соответственно довольно узкой, но доминирующей по воздействию на речные наносы полосой спектра турбулентных пульсаций и количеством макроструй в живом сечении речного потока. Из этого следует, что речной поток должен бьпгь воспроизведен на модели таким образом, чтобы пространственные масштабы его внутренней структуры, то есть макротурбулентности, были бы подобны таковым в речном потоке. Очевидно, что это может быть достигнуто только на модели, выполненной с соблюдением условия (28). Здесь уместно заметить, что условие Sh=ioem, определяющее кинематическое подобие потоков в рассмотренной постановке вопроса, оказывается неработающим критерием. Это легко показывается простым расчетом числа - Струхаля, например, по частоте или периоду больших вихрей (как это было приведено в первой главе доклада) и было установлено измерениями в большой масштабной серии экспериментов на 7 моделях излучины р.Поломети. При масштабах модели а,=25, а,=25; а,=100, а„=100, 0^=100, а„=50; аг=100, а«=25; аг=200, а.=200; аг-200, а»=100, ос,=200, а,=50 шаг больших вихрей (или продольчый масштаб турбулентности), рассчитанный по измеренному периоду крупно» асштабной пульсации, изменялся соответственно глубинам модельных потоков, г чнгю Струхаля, рассчитанное по этому же измеренному периоду, оставалось близким по значению на всех моделях.

Таким образом, условие (28), воспринимаемое по форме как условие геометрического подобия и оставаясь им по существу, в то же время оказывается и условием кинематического подобия. Это тем более так, что при выполнении условия (28) оказывается единым масштаб осредненных и пульсационных скоростей

а. (31)

Рассмотренные исходные положения гидроморфологнческого подхода к моделированию речных потоков на деформируемых моделях предопределяют следующие важные следствия (и в то же время - условия моделирования): геометрический масштаб модели является основной величиной, определяющей численные значения масштабов всех остальных величин, характеризующих и гидродинамические и морфологические процессы; масштабы скоростей и масштабы времени гидродинамических и морфологических процессов оказываются одинаковыми.

Возможности моделирования с соблюдением условий (23)-{30) ограничены по понятным причинам участками горных рек или малых рек с относительно крупными наносами, когда можно назначить достаточно крупный масштаб модели и уменьшить в этом масштабе речные наносы. Имеющийся практический опыт работы на таких моделях свидетельствует об их большом преимуществе по сравнению с жесткими моделями (3 Д.Копалиани, О.А.Твалавадзс,

Д.В.Носелидзе, 1985, 1990). Автором с В Н Коковииым был промоделирован участок р.Поло'.-е.ти с хорошо развитым и тщательно зарегистрированным в натуре грядовым рельефом дка. Полученные на модели значения характеристик потока и микроформ вполне удовлетворительно соответствовали натурным тгх значениям

Вместе с тем, даже в таком относительно простом и строго определенном варианте моделирования могут быть ситуации, когда при выполнении всех условий (23)-(24) н (2S)-(30) модель оказывается неподобной натуре ни в гидравлических, ни в морфологических характеристиках. Представляется, что такая ситуация связана с проявлением масштабного эффекта при уменьшении натурных русловых наносов до их модельных размеров.

Автором была выполнена масштабная серия экспериментов в гидравлических ;о;ка\ имевших стеклянные боковые стенки и песчаное дно В серии были принять; ма--штабы 1 1 (условная "натура", ширина лотка и потока 1,0 м, глубина 20 см, средняя скорость потока 45 см/с, расход воды 90 л/с, диаметр песка, выложенного горизонтально ровным слоем толщиной 10 см, 0,5-1,0 мм); 1:2 (лоток шириной 0,5 м, расход води 15,9 л/с, диаметр нсека С 25-0,5 мм), 1:5 (лоток шириной 0,2 м, расход воды 1,61 л/с, диаметр песка 0,1-0,2 мм), 1:10 (лоток шириной 0,1 м, расход воды 0,287 л/с, диаметр песка 0,1 мм). Каждый эксперимент начинался с горизонтального дна и с расчетных гидравлических характеристик, полученных при условии Fr = idem и d/H = idem.

Результаты моделирования в самой общей форме приведены на рис.12 в виде фотографии в перспективе (для масштабов 1:1 и 1:2) и в виде фотографий в плане (для всех масштабов). Сравнение фото 1 и 2 и соответственно их планов 4 и 5 убеждает в том, что несмотря на строгое выполнение всех условий моделирования, не достигнуто подобие даже в качестве русловых форм при масштабе модели 1:2. Неподобные "натурным" более крутые гпчдм вызвали большее гидравлическое сопротивление, что проявилось з большем, чем в "натуре' примерно в 2,5 раза уклоне поверхности потека Такой же результат получился и при масштаба 1 ■ 5 (фото 7), Вместе с тем при масштабе МО, когда модельные наноси имели крупность d4 ^ 0,1 мм, модельный рельеф оказался подобным "натурному" не только гю качеству, но и по количественным характеристикам гряд обоих порядков (фото S - к сожалению, торичнме более мелкие формы,не видны на фото, так как их высота составляла всего 0,1 см) Поправить результат в эксперименте масштаба ' .2 удалось только путем укрупнения модельного грунта Б качестве первого приближение был взят грунт условной "натуры", то есть 0,5-!,О м.л В результате при небольшой форенровке расхода воды, составившей всего 7 %, был получен эельеф, качественно и количественно подобный "натурному" (фото 3 - перспектива и фото о -[тлан), а гидравличеекгй уклон оказался больше "натурного" всего в 1,6 раза. Результаты этой масштабной серии, по-видимому, свидетельствуй, т о том, что при моделировании речных тотоков па деформируемых моделях для достижения подобия форм транспорта шнихоа теобходимо обеспечить не только подобие свойств взаимодействующих жидкой и твердой :ред, что заключено в условиях (23)-(30), но и подобие механизма их взаимодействия.

На это обстоятельство обращает внимание М.А.Михалев (1988), замечая, что только терез подобие форм движения наносов на деформируемой модели можно рассчитывать далее ia подобие морфологических (руслоион рельеф) и гидродинамических (русловой поток) троцессов.

Следовательно, система рассмотренных выше условий подобия должна быть дополнена 'словнями, определяющими подобие механизма взаимодействия сред

Автор с учетом принципа избирательной способности системы поток-русло, формулированного К.В Гришаниным (1979), с учетом динамических эффектов, возникающих i порах грунтов, слагающих ложе потока и проявляющихся в образовании фазового сдвига юрового давления (И.Ф Карасев, 1970), а также с учетом своих результатов, рассмотренные в лавах ! и 2 этого доклада, предложил в качестве таких дополнительных условий подобия ледуюшие