Введение

       Главной задачей геоморфологии является изучение закономерностей пространственного перераспределения вещества и его рельефообразующих следствий. Решение этой задачи требует количественных оценок протекающих на земной поверхности процессов. Одним из главных агентов экзогенного рельефообразования служат водные потоки, а создаваемый ими комплекс русловых и долинных форм является наиболее устойчивым внешним проявлением их взаимодействия.
       Объектами исследования для геоморфологии в этом случае являются русла равнинных рек и их деформации. Обусловлено это тем, что деформации речных русел часто вызывают нежелательные ситуации в различных отраслях хозяйства.
        Изменения русел приводят к аварийным ситуациям на подводных переходах. Например, разрыв газопровода выше Астрахани в результате подмыва правого берега привёл к гигантскому взрыву и пожару на середине Волги, караваны судов выше и ниже этого места несколько дней ожидали окончания пожара.
        Теория руслового процесса представляет собой комплекс морфологической теории и гидродинамики. Неразрывная связь этих двух аспектов обусловлена тем, что морфологические закономерности, присущие русловым формам, проявляются в результате воздействия на русловое ложе текущей воды, движение которой подчиняется законам гидродинамики .
        Это бесспорное положение легло в основу гидродинамического направления в изучении систем поверхностного руслового стока куда, как частный, случай входят речные системы. Цель данного направления -совместное решение уравнения движения воды и уравнения деформации, то есть, использование в виде математического выражения физических законов взаимодействия движущейся жидкости и твердого тела.
        Более детальный гидродинамический анализ системы русло-поток может быть произведен на уровне отдельной излучины и состоит в получении поля скоростей турбулентного руслового потока в поперечных сечениях русла в характерных створах излучины (вход потока на излучину, вершина излучины, точка перегиба на выходе из излучины). Актуальность и научная новизна
        Данная тема довольно актуальна, поскольку благодаря размыванию берегов, дна рек, происходит разрушение трубопроводов. А это яляется крайне нежелательным для современной экономики. Ежегодный ущерб России насчитывает около 5 млрд. долларов.
       Новизна темы связана с изучением не только поперечной, но и продольной пульсации вектора скорости турбулентного руслового потока.
Цель работы
       Разработать систему измерения 2 компонент пульсаций вектора скорости турбулентного руслового потока.
Задачи работы
        Исследовать влияние геометрических размеров датчика на чувствительность и погрешность измерения, разработать электронную схему преобразователя-усилителя сигнала датчика.
Общая идея работы
        Водный поток, проходя сквозь концентрированое магнитное поле между точечными проводниками вызовет появление ЭДС, величина которой соответствует вектору скорости.

Содержание

Рассмотрение турбулентных потоков. Общие положения

       При исследовании турбулентного течения его условно разлагают на две составляющие: осредненное по времени движение и пульсационное движение. Вектор скорости в какой-либо точке потока может быть разложен на три составляющие в декартовой системе координат. Обозначив осредненное по времени значение составляющей скорости и пульсационную составляющую через среднее и мгновенное значения (аналогично для других составляющих), можно записать следующие уравнения для составляющих вектора скорости и для давления в потоке:

       Значение осредненной составляющей скорости по некоторому вектору разложения в декартовых координатах определяется:

       Пульсационные составляющие скорости и давления можно охарактеризовать частотой и амплитудой. При турбулентном движении частоты и амплитуды пульсации скорости и давления изменяются в очень широких пределах: в каждой точке турбулентного потока имеют место пульсационные составляющие в диапазоне частот от единиц Гц до десятков кГц. Преобладают всегда низкочастотные составляющие.
       Неупорядоченный характер изменения скорости, давления и других характеристик потока во времени и в пространстве послужил основанием для создания статической теории турбулентности . Согласно этой теории турбулентный поток называется однородным, если определенные характеристики его, составленные из величин, взятых в одной точке М, не зависят от положения этой точки, а составленные из величин, взятых в двух точках М и M', зависят от расстояния между точками М и M', и не зависят от их положения.
        Однородный турбулентный поток называется изотропным, если все свойства и характеристики турбулентности одинаковы во всех направлениях, т.е. в изотропном турбулентном потоке нет преимущественных направлений и пространственные характеристики турбулентности зависят только от расстояния между точками М и M' потока.

Содержание

Методы измерения параметров турбулентного потока

       При исследовании потоков часто пользуются понятием конвективной скорости – скорости переноса потоком каких-либо субстанций или физических полей среды: примесей, поля температур, поля давлений, поля проводимости, оптических неоднородностей и т. п. В ряде случаев можно отождествлять движение этих физических полей с движением самой среды, т. е. считать конвективную скорость скоростью движения исследуемого потока. В тех случаях, когда регистрируется перенос плотности среды, конвективная скорость совпадает с массовой.
       В настоящее время для измерения скорости потоков используются десятки принципиально различных методов. Это вызвано тем, что большинство из них дает удовлетворительные результаты лишь в определенном диапазоне параметров исследуемых сред. Обычно величина, регистрируемая прибором, зависит, как правило, не только от скорости потока, но и от других параметров среды (температуры, проводимости, плотности и т. п.). Следствием сказанного является то, что при использовании большинства существующих приборов для измерения скорости необходимо проведение градуировок при условиях, близких к эксплуатационным, а также введение в результаты измерений различного рода поправок, учитывающих влияние посторонних параметров исследуемой среды.
       Существующие методы измерения скорости потоков жидкости можно разделить на 3 основные группы: кинематические, динамические и физические. При измерении скорости кинематическими методами в потоке создаются какие-либо метки, скорость которых и определяется с помощью соответствующих приборов. Метки могут быть как искусственными (тепловые, радиоактивные, ионизационные и другие), так и естественно существующими в потоке.
       Динамические методы используют динамическое взаимодействие потока и измерительного зонда, а также термодинамическое и магнитогидродинамическое взаимодействие.
       К физическим методам относятся методы, которые применяют различные физические процессы в исследуемой области потока, протекание которых устойчиво зависит от значения скорости (ионизационные, акустические, спектральные и другие).
        Корреляционный метод. Суть метода сводится к следующему. Выполняют одновременные измерения (или запись) флуктуаций некоторой физической величины (ФВ) в двух точках х1 и х2, расположенных вдоль по потоку. Определяют взаимную корреляционную функцию этих двух флуктуаций. В зависимости от расстояния между точками х1 и х2 нормированная взаимная корреляционная функция изменяет свой вид – происходит смещение её максимума.
        Ниже показаны три корреляционные функции rxx для следующих условий: скорость потока постоянна, кривая 1 соответствует нулевому растоянию, кривые 2 и 3 – ненулевое расстояние . Причем кривая 2 соответствует меньшему расстоянию. Если же расстояние постоянно и изменяется скорость потока, то меньшей скорости соответствует больший сдвиг максимума функции. То есть временной сдвиг максимума корреляционной функции можно отождествлять с некоторым характерным временем переноса поля измеряемой ФВ из точки x1 в точку x2. В случае стационарного характера флуктуаций измеряемой ФВ сдвиг соответствует локальной скорости переноса поля этой ФВ, которую часто можно считать скоростью движения потока. Такой же вывод справедлив, если флуктуации имеют и нестационарный характер. Таким образом, зная расстояние l между точками измерения некоторой ФВ в потоке и определив временной сдвиг максимума функции можно определить скорость.


        Оптический метод. Оптическими называют измерители, основанные на зависимости от скорости потока того или иного оптического эффекта. Основные среди оптических приборов – доплеровские измерители. В основе их работы лежит известный из физики эффект Доплера, заключающийся в измерении частоты излучения, рассеиваемого движущимися относительно источника излучения объектами .
       Ниже приведена схема доплеровского метода измерения скорости потока. Весьма перспективным является метод лазерной доплеровской анемометрии, в котором мгновенное значение скорости определяется по доплеровскому сдвигу частоты лазерного излучения, рассеянного на движущихся в потоке частицах.

       1- источник излучения;
       2 – трубопровод с потоком, скорость которого определяется;
       3 – зеркало;
       4 – полупрозрачная посеребренная пластина;
       5 – фотодетектор;
       6 – преобразователь «частота – напряжение»;
       Uвых – пропорциональное скорости напряжение

       Термодинамический метод. Термодинамический метод измерения скорости основан на зависимости теплообмена между измерительным зондом и средой от значения скорости. При этом может рассматриваться теплоотдача от зонда к потоку (термоанемометры) либо от зонда к зонду через поток (это уже кинематический метод) .
       Существует два типа термоанемометров. В одних – в поток помещается нагретая нить с термопарой, которая измеряет температуру нити, в других – в поток помещается лишь нить. Первые называются термоэлектроанемометрами, а вторые – обычными анемометрами


       1 – нить;
       2 – термопара;
       3 - эбонитовая пробка;
       4 – держатель нити

        Акустический метод. Действие акустических (ультразвуковых) измерителей скорости основано на том, что скорость распространения звуковой волны в движущейся среде равна геометрической сумме скорости звука в неподвижной среде и скорости среды . Если измерять суммарную скорость, то при известном значении скорости и известным угле между векторами скоростей можно определить скорость потока . Не смотря на то, что в неподвижной среде скорость звука определяется температурой и плотностью среды, существуют методы компенсации этого влияния и принципиальных ограничений на разработку и применение акустических анемометров нет. На практике получили распространение 2 метода измерений: время - импульсный и фазовый.


       При время - импульсном методе измерения сигнал в виде ультразвукового импульса формируется излучателем И и улавливается приемником Пр . При фазовом методе измерения излучаются непрерывные гармонические колебания и измеряется разность фаз сигналов. В одноканальной структуре выходной величиной прибора является разность фаз принятого и излученного сигналов.
       Магнитогидродинамический метод. Магнитогидродинамический (или электромагнитный) метод измерения скорости потока жидкости основан на явлении электромагнитной индукции. Из электродинамики известно, что при движении проводящей среды в поперечном магнитном поле в ней индуцируется электродвижущая сила (э.д.с.), которая действует в направлении, перпендикулярном вектору скорости движения среды и вектору индукции приложенного поперечного магнитного поля. Причем, э.д.с. пропорциональна скорости движения среды и значению индукции приложенного магнитного поля и не зависит от физических свойств среды (проводимости, температуры, вязкости и т.п.) .
       Если в жидкость, движущуюся в поперечном магнитном поле, ввести 2 электрода, то под действием индуцируемой в потоке э.д.с. на электродах появляется разность потенциалов, пропорциональная скорости потока жидкости. Т. е. по величине разности потенциалов электродов можно судить о скорости течения жидкости.
       Приборы, использующие описанный принцип для измерения скорости , называют кондукционными измерителями. В принципе работы таких приборов заложены наилучшие возможности для реализации измерителей локальных скоростей, что очень важно при исследовании структуры турбулентных потоков.

Обоснование структуры разрабатываемой системы

       В ходе анализа материала можно выделить требования к электронной системе:
       Поскольку необходимо получать поле скоростей и пульсаций скоростей в некотором исследуемом потоке, то необходимо применять датчики, обеспечивающие малую инерционность измерений, обладающих локальными (точечными) параметрами, имеющих необходимую точность и небольшие габбариты, а также использовать автономные источники питания. При рассмотрении датчиков, наиболее приемлемым вариантом является магнитогидродинамический датчик с локальным полем. Отдельным подклассом данных устройств есть датчик со сферической поверхностью обтекаемого типа.

Заключение

       Анализ сущности транспортирующей способности потока и расхода наносов позволило выяснить, что эти величины, в общем случае, не равны друг другу. Расход наносов является результирующей от сочетания величин транспортирующей способности потока и поступления наносов на рассматриваемый участок реки.
        Обзор существующих формул показывает, что не существует формулы расхода наносов, которая обеспечивала бы достаточную точность вычислений расходов наносов. Одной из причин этого также является отсутствие надёжных данных по натурным измерениям расходов наносов.
       Возможно, необходим другой подход к оценке расхода наносов, который может быть основан не на параметрах потока и частиц наносов, т.е. на системном (структурном) уровне «наносы–поток», а по параметрам водосбора и реки в целом, т.е. на системном уровне «водосбор–река».
        Для прогноза изменения русла не столько необходимо знать абсолютные значения параметров системы до и после внешннего воздействия, а более важно знать направление (вектор, степень) изменения руслоформирующих факторов. Например, сведения о том, что каким-либо образом произойдёт увеличение поступления наносов с водосбора или верхнего участка даёт сведения о превышении поступления наносов над прежней транспортирующей способностью, на основе чего можно сделать прогноз изменения морфологических образований.
        Поскольку для решения задач гидроморфологии необходимо знать не только геометрические параметры системы (река-водосбор), но и физические параметры самого потока (как приводилось выше – поле скоростей). Так как математическим моделированием нельзя получить достоверную картину поля скоростей (возможно влияние впадин, наносов-холмов и многих других факторов, влияние которых невозможно полностью учесть). таким образом, следует проводить измерения. А так как за перенос частиц отвечает не только продольная (направленная вдоль течения реки) скорость, но и поперечная (вертикальная составляющая скорости) то необходимо измерять составляющие вектора скорости. Также необходимо указать, что использование осредненных характеристик потока приводит к искажению результата. Применение осреднения оправдано только для получения предварительной картины процесса.
        В настоящее время подобные системы отсутствуют, следовательно существует необходимость в их разработке.

Содержание

1. Саморегуляция в динамике воздействия речного потока и русла. - Хон Алексей Валерьевич, Томск 2003
2. "Динамические явления в водоемах". - А.С. Судольский, Ленинград, Гидрометеоиздат 1991
3. "Введение в динамику жидкости" - Дж. Бэтчелор, Мир, Москва 1973

© ДонНТУ, Тимошенко Игорь Николаевич, 2008