Особенности применение численного метода, основанного на полных трехмерных уравнениях гидродинамики. Оценка методов расчета параметров взаимодействия волн прорыва с сооружениями на пойме и их распространения в областях со сложной геометрией рельефа.
Аннотация к работе
Специальность - 05.23.16 - «Гидравлика и инженерная гидрология» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наукРабота выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. Защита состоится «21 » ноября 2011 года в 16.30 на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в «Московском Государственном Университете Природообустройства» (МГУП) по адресу: 127550, Москва, ул. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГОУ ВПО Московского государственного университета природообустройства (МГУП) по адресу: 127550, Москва, ул.Эти методы в диапазонах своей применимости дают вполне адекватные результаты, позволяющие прогнозировать время добегания волны, границы зон затопления, глубины и продолжительность затопления прилегающих территорий в заданном створе речной долины. Таким образом, определение параметров динамического взаимодействия волны прорыва с сооружениями, а также параметров ее распространения в областях поймы со сложной геометрией является актуальным, а существующие методы расчетов нуждаются в совершенствовании. Основным направлением совершенствования методов исследования волн прорыва в диссертации выбрано применение численного моделирования в трехмерной постановке с применением математической модели, основанной на трехмерных эволюционных уравнениях Навье-Стокса, с учетом интенсивно изменяющейся свободной поверхности. Для достижения поставленной цели, было намечено решить следующие задачи: гидродинамика волна рельеф пойма выполнить анализ существующих методов, подходов и технической реализации расчетов по определению параметров волн прорыва; проведен сравнительный анализ экспериментальных данных отечественных и зарубежных авторов и результатов 3D численного моделирования по предложенному в работе методу. выполнены численные эксперименты в 3D постановке по определению параметров распространения волны прорыва и ее взаимодействия с сооружениями для типовых задач при проектировании объектов водохозяйственного строительства и при обеспечении безопасности ГТС. предложена методика сопряжения численных методов 3D моделирования распространения волны по протяженному руслу на участках с особенностями рельефа (сложная геометрия, наличие сооружений и т.п.) и 2D моделирования на участках без таких особенностей.Приведена полная система уравнений, состоящая из уравнений Навье-Стокса, уравнений сохранения массы и уравнений, описывающих свободную поверхность между жидкостью и газом. , (2) где: - время; - вектор-функция скорости жидкости; - дифференциальный оператор Гамильтона; ? - плотность жидкости; P - скалярная функция давления жидкости; mij - тензор турбулентных напряжений, форма которого зависит от конкретной модели турбулентности; n - коэффициент кинематической вязкости воды; - внешняя сила, например сила гравитации; xi - координаты в трехмерном Евклидовом пространстве (R3); индексы i, j - значения от 1 до 3 для R3. Для реальных потоков, в которых возникает фаза раздела, система уравнений (1-2) дополняется уравнениями, описывающими свободную поверхность между жидкостью и газом, имеющими вид: (3) осреднение (1-4) по глубине приводит к системе так называемых «уравнений мелкой воды» или уравнений Сен-Венана - Буссинеска, которые для двумерного нестационарного течения записаны в виде: , (5) где: , , , z - отметка свободной поверхности с учетом волнения, h - глубина, с учетом волнения, zb - отметка дна, - скорость течения жидкости в направлении оси x, - скорость течения жидкости в направлении оси y, , l - коэффициент гидравлического трения, g - ускорение свободного падения. течение в любой момент времени имеет свободную поверхность во всей области, на свободной поверхности давление всегда равно атмосферному (предположение свободной поверхности);Задачи гидродинамического численного моделирования можно условно разделить на две основные группы: упрощенные задачи, решаемые обычно при составлении деклараций безопасности ГТС, направленные на определение времени добегания фронта волны до заданного створа, границ зон затопления и времени продолжительности их затопления. В рамках поставленных задач они дают правдоподобные результаты. более сложные задачи, связаны с описанием движения волны прорыва по пойме со сложным рельефом, описанием свободной поверхности, расчетами взаимодействия волны прорыва с различными сооружениями на пойме (дамбами, мостовыми переходами, насосными станциями, водозаборами, водовыпусками и другими сооружениями) с определением распределения актуальных значений скоростей и давлений по глубине потока. распространение волны прорыва в той же расчетной области, что и в предыдущем примере, при наличии на повороте водозаборного узла в виде насосной станции русловой компоновки с пересекающими пойму напорными трубопроводами в насыпи.