Колебательные процессы в открытых водных потоках

Актуальность темы

.

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

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

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

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

Цели и задачи исследования.

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

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

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

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

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

Методика исследований и исходный материал.

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

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

Научная новизна работы.

В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

• разработан ИИК, некоторые компоненты которого защищены патентами;

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

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

Практическая значимость результатов исследований.

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

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

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

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

Апробация работы.

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

Публикации.

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

Структура и объем работы.

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

Заключение

.

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

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

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

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

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

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