Пульсации давления на поверхности размыва грунта
Представлены результаты экспериментальных исследований поля пульсаций пристеночного давления на поверхности размыва грунта перед призматической опорой. Вблизи опоры генерируются подковообразные вихревые структуры и следные вихри. Внутри отверстия размыва грунта перед плохо обтекаемым телом формируют...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Прикладна гідромеханіка |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116472 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Пульсации давления на поверхности размыва грунта / А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов // Прикладна гідромеханіка. — 2014. — Т. 16, № 2. — С. 27-35. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-116472 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Воскобойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Никишов, В.И. 2017-04-28T11:46:45Z 2017-04-28T11:46:45Z 2014 Пульсации давления на поверхности размыва грунта / А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов // Прикладна гідромеханіка. — 2014. — Т. 16, № 2. — С. 27-35. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 1561-9087 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116472 532.5 Представлены результаты экспериментальных исследований поля пульсаций пристеночного давления на поверхности размыва грунта перед призматической опорой. Вблизи опоры генерируются подковообразные вихревые структуры и следные вихри. Внутри отверстия размыва грунта перед плохо обтекаемым телом формируются две квазиустойчивые крупномасштабные подковообразные вихревые структуры. Первая из них генерируется при отрыве пограничного слоя с передней кромки отверстия размыва и формирует верхний склон углубления. Вторая подковообразная структура меньшего размера образуется при взаимодействии сдвигового слоя над углублением и ниспадающего течения вдоль фронтальной поверхности призматической модели и формирует нижний склон углубления. Наибольшая глубина размыва грунта и интенсивность пульсаций пристеночного давления имеет место там, где ниспадающее течение взаимодействует с размываемым грунтом. В спектрах пульсаций давления наблюдаются дискретные подъемы на частотах вращения подковообразных вихрей. Частота вращения подковообразного вихря вблизи призмы в (2:3) раза выше, чем внутри верхнего по потоку склона отложения песка в отверстии размыва. Наведено результати експериментальних досліджень поля пульсацій пристінного тиску на поверхні розмиву грунту перед призматичною опорою. Поблизу опори генеруються підковоподібні вихрові структури та слідні вихори. Усередині отвору розмиву грунту перед погано обтічним тілом формуються дві квазістійкі великомасштабні підковоподібні вихрові структури. Перша з них генерується під час відриву примежового шару з переднього краю отвору розмиву та формує верхній схил заглиблення. Друга підковоподібна структура меншого розміру утворюється під час взаємодії зсувного шару над заглибленням і течії, що спрямована до дна вздовж фронтальної поверхні призматичної моделі, та формує нижній схил заглиблення. Найбільша глибина розмиву та інтенсивність пульсацій пристінного тиску має місце там, де течія, що спрямована до дна, взаємодіє з розмивним грунтом. У спектрах пульсацій тиску спостерігаються дискретні підйоми на частотах обертання підковоподібних вихорів. Частота обертання підковоподібного вихору поблизу призми у (2:3) рази вища, ніж усередині верхнього за потоком схилу відкладання піску в отворі розмиву. The results of experimental researches of the field of wall-pressure fluctuations on the scour surface before prismatic pier are presented. The horseshoe vortical structures and wake vortices are generated near-by pier. Two quasistable large-scale horseshoe vortical structures are formed into scour opening before the bluff body. First from them is generated at boundary layer separation from the front edge of scour opening and forms the overhead slope of cavity. The second horseshoe structure of less size is formed at interaction of shear layer above cavity and spilling flow along the frontal surface of prismatic model and forms the bottom slope of cavity. The most depth of scour and intensity of wall-pressure fluctuations takes place wherein a spilling flow interact with the scour soil. In the pressure fluctuation spectra there are the discretes on frequencies of horseshoe vortex rotation. Frequency of horseshoe vortex rotation near-by a prism in (2...3) time higher, than into the overhead streamwise slope deposit of sand in scour opening. ru Інститут гідромеханіки НАН України Прикладна гідромеханіка Науковi статтi Пульсации давления на поверхности размыва грунта Пульсації тиску на поверхні розмиву грунту Pressure fluctuations on the scour surface Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Пульсации давления на поверхности размыва грунта |
| spellingShingle |
Пульсации давления на поверхности размыва грунта Воскобойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Никишов, В.И. Науковi статтi |
| title_short |
Пульсации давления на поверхности размыва грунта |
| title_full |
Пульсации давления на поверхности размыва грунта |
| title_fullStr |
Пульсации давления на поверхности размыва грунта |
| title_full_unstemmed |
Пульсации давления на поверхности размыва грунта |
| title_sort |
пульсации давления на поверхности размыва грунта |
| author |
Воскобойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Никишов, В.И. |
| author_facet |
Воскобойник, А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Никишов, В.И. |
| topic |
Науковi статтi |
| topic_facet |
Науковi статтi |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Прикладна гідромеханіка |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Пульсації тиску на поверхні розмиву грунту Pressure fluctuations on the scour surface |
| description |
Представлены результаты экспериментальных исследований поля пульсаций пристеночного давления на поверхности размыва грунта перед призматической опорой. Вблизи опоры генерируются подковообразные вихревые структуры и следные вихри. Внутри отверстия размыва грунта перед плохо обтекаемым телом формируются две квазиустойчивые крупномасштабные подковообразные вихревые структуры. Первая из них генерируется при отрыве пограничного слоя с передней кромки отверстия размыва и формирует верхний склон углубления. Вторая подковообразная структура меньшего размера образуется при взаимодействии сдвигового слоя над углублением и ниспадающего течения вдоль фронтальной поверхности призматической модели и формирует нижний склон углубления. Наибольшая глубина размыва грунта и интенсивность пульсаций пристеночного давления имеет место там, где ниспадающее течение взаимодействует с размываемым грунтом. В спектрах пульсаций давления наблюдаются дискретные подъемы на частотах вращения подковообразных вихрей. Частота вращения подковообразного вихря вблизи призмы в (2:3) раза выше, чем внутри верхнего по потоку склона отложения песка в отверстии размыва.
Наведено результати експериментальних досліджень поля пульсацій пристінного тиску на поверхні розмиву грунту перед призматичною опорою. Поблизу опори генеруються підковоподібні вихрові структури та слідні вихори. Усередині отвору розмиву грунту перед погано обтічним тілом формуються дві квазістійкі великомасштабні підковоподібні вихрові структури. Перша з них генерується під час відриву примежового шару з переднього краю отвору розмиву та формує верхній схил заглиблення. Друга підковоподібна структура меншого розміру утворюється під час взаємодії зсувного шару над заглибленням і течії, що спрямована до дна вздовж фронтальної поверхні призматичної моделі, та формує нижній схил заглиблення. Найбільша глибина розмиву та інтенсивність пульсацій пристінного тиску має місце там, де течія, що спрямована до дна, взаємодіє з розмивним грунтом. У спектрах пульсацій тиску спостерігаються дискретні підйоми на частотах обертання підковоподібних вихорів. Частота обертання підковоподібного вихору поблизу призми у (2:3) рази вища, ніж усередині верхнього за потоком схилу відкладання піску в отворі розмиву.
The results of experimental researches of the field of wall-pressure fluctuations on the scour surface before prismatic pier are presented. The horseshoe vortical structures and wake vortices are generated near-by pier. Two quasistable large-scale horseshoe vortical structures are formed into scour opening before the bluff body. First from them is generated at boundary layer separation from the front edge of scour opening and forms the overhead slope of cavity. The second horseshoe structure of less size is formed at interaction of shear layer above cavity and spilling flow along the frontal surface of prismatic model and forms the bottom slope of cavity. The most depth of scour and intensity of wall-pressure fluctuations takes place wherein a spilling flow interact with the scour soil. In the pressure fluctuation spectra there are the discretes on frequencies of horseshoe vortex rotation. Frequency of horseshoe vortex rotation near-by a prism in (2...3) time higher, than into the overhead streamwise slope deposit of sand in scour opening.
|
| issn |
1561-9087 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116472 |
| citation_txt |
Пульсации давления на поверхности размыва грунта / А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов // Прикладна гідромеханіка. — 2014. — Т. 16, № 2. — С. 27-35. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT voskoboinikaa pulʹsaciidavleniânapoverhnostirazmyvagrunta AT voskoboinikav pulʹsaciidavleniânapoverhnostirazmyvagrunta AT voskoboinikva pulʹsaciidavleniânapoverhnostirazmyvagrunta AT nikišovvi pulʹsaciidavleniânapoverhnostirazmyvagrunta AT voskoboinikaa pulʹsacíítiskunapoverhnírozmivugruntu AT voskoboinikav pulʹsacíítiskunapoverhnírozmivugruntu AT voskoboinikva pulʹsacíítiskunapoverhnírozmivugruntu AT nikišovvi pulʹsacíítiskunapoverhnírozmivugruntu AT voskoboinikaa pressurefluctuationsonthescoursurface AT voskoboinikav pressurefluctuationsonthescoursurface AT voskoboinikva pressurefluctuationsonthescoursurface AT nikišovvi pressurefluctuationsonthescoursurface |
| first_indexed |
2025-11-25T20:40:23Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:40:23Z |
| _version_ |
1850530806331604992 |
| fulltext |
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
УДК 532.5
ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ
РАЗМЫВА ГРУНТА
А. А. В ОС К ОБ ОЙ Н И К, А. В. ВО СК О Б ОЙ Н И К,
В. А. В ОСК О Б OЙ Н И К, В. И. Н И К И ШО В
Институт гидромеханики НАН Украины, Киев,
03680 Киев – 180, МСП, ул. Желябова, 8/4
email: vlad.vsk@gmail.com
Получено 04.02.2014
Представлены результаты экспериментальных исследований поля пульсаций пристеночного давления на поверхно-
сти размыва грунта перед призматической опорой. Вблизи опоры генерируются подковообразные вихревые струк-
туры и следные вихри. Внутри отверстия размыва грунта перед плохо обтекаемым телом формируются две ква-
зиустойчивые крупномасштабные подковообразные вихревые структуры. Первая из них генерируется при отрыве
пограничного слоя с передней кромки отверстия размыва и формирует верхний склон углубления. Вторая подко-
вообразная структура меньшего размера образуется при взаимодействии сдвигового слоя над углублением и ни-
спадающего течения вдоль фронтальной поверхности призматической модели и формирует нижний склон углубле-
ния. Наибольшая глубина размыва грунта и интенсивность пульсаций пристеночного давления имеет место там,
где ниспадающее течение взаимодействует с размываемым грунтом. В спектрах пульсаций давления наблюдаются
дискретные подъемы на частотах вращения подковообразных вихрей. Частота вращения подковообразного вихря
вблизи призмы в (2. . . 3) раза выше, чем внутри верхнего по потоку склона отложения песка в отверстии размыва.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: пульсации пристеночного давления, мостовая опора, подковообразный вихрь, размыв грунта
Наведено результати експериментальних дослiджень поля пульсацiй пристiнного тиску на поверхнi розмиву грун-
ту перед призматичною опорою. Поблизу опори генеруються пiдковоподiбнi вихровi структури та слiднi вихори.
Усерединi отвору розмиву грунту перед погано обтiчним тiлом формуються двi квазiстiйкi великомасштабнi пiд-
ковоподiбнi вихровi структури. Перша з них генерується пiд час вiдриву примежового шару з переднього краю
отвору розмиву та формує верхнiй схил заглиблення. Друга пiдковоподiбна структура меншого розмiру утворює-
ться пiд час взаємодiї зсувного шару над заглибленням i течiї, що спрямована до дна вздовж фронтальної поверхнi
призматичної моделi, та формує нижнiй схил заглиблення. Найбiльша глибина розмиву та iнтенсивнiсть пульсацiй
пристiнного тиску має мiсце там, де течiя, що спрямована до дна, взаємодiє з розмивним грунтом. У спектрах пуль-
сацiй тиску спостерiгаються дискретнi пiдйоми на частотах обертання пiдковоподiбних вихорiв. Частота обертання
пiдковоподiбного вихору поблизу призми у (2. . . 3) рази вища, нiж усерединi верхнього за потоком схилу вiдклада-
ння пiску в отворi розмиву.
КЛЮЧОВI СЛОВА: пульсацiї пристiнного тиску, мостова опора, пiдковоподiбний вихор, розмив грунту
The results of experimental researches of the field of wall-pressure fluctuations on the scour surface before prismatic pier
are presented. The horseshoe vortical structures and wake vortices are generated near-by pier. Two quasistable large-
scale horseshoe vortical structures are formed into scour opening before the bluff body. First from them is generated
at boundary layer separation from the front edge of scour opening and forms the overhead slope of cavity. The second
horseshoe structure of less size is formed at interaction of shear layer above cavity and spilling flow along the frontal
surface of prismatic model and forms the bottom slope of cavity. The most depth of scour and intensity of wall-pressure
fluctuations takes place wherein a spilling flow interact with the scour soil. In the pressure fluctuation spectra there are
the discretes on frequencies of horseshoe vortex rotation. Frequency of horseshoe vortex rotation near-by a prism in (2...3)
time higher, than into the overhead streamwise slope deposit of sand in scour opening.
KEY WORDS: wall-pressure fluctuations, bridge pier, horseshoe vortex, scour
ВВЕДЕНИЕ
В ходе строительства и эксплуатации мостовых
переходов через водные преграды, при установ-
ке буровых опор и оснований ветроэнергетиче-
ских установок в шельфовой зоне, строительстве
причальных сооружений на размываемом грунте
под действием течения происходит размыв грун-
та вблизи плохо обтекаемых тел [1–4]. Процесс
образования отверстий размыва грунта вблизи та-
ких тел обусловлен формированием и последую-
щим развитием подковообразных вихревых систем
и следных вихрей, возникающих вокруг обтекае-
мой конструкции вблизи ее сопряжения с дном.
Эволюция вихревых структур вокруг группово-
го свайного сооружения имеет много общего с
образованием подковообразных или ожерельепо-
добных вихревых систем, которые возникают при
обтекании одиночных плохо обтекаемых констру-
кций или опор. Для того чтобы понять механизм
размыва, в первую очередь необходимо качествен-
но описать структуру когерентных вихрей, кото-
рые образуют подковообразную и следную вихре-
вую систему, для разных режимов течения и коли-
чественно охарактеризовать этот эффект в пото-
ке и на дне реки вблизи основания опоры. Тре-
хмерность и неустойчивый характер поля тече-
c© А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов, 2014 27
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
Рис. 1. Схема формирования размыва и намыва
грунта вблизи цилиндрической опоры
ния, которое формируется размывом [5–7], созда-
ют значительные трудности при изучении меха-
низмов размыва грунта. Структура турбулентно-
сти, имеющая широкий спектр турбулентных мас-
штабов, присуща вихревому течению вокруг пло-
хо обтекаемого тела. Действительно, поле течения
в отверстии размыва вокруг опоры насыщено ор-
ганизованными когерентными структурами в ви-
де подковообразных вихрей в основании опоры,
крупномасштабных свертков в следе позади опо-
ры и более мелких по размеру, но очень энерго-
емких вихревых трубок в сдвиговых слоях, кото-
рые отрываются от плохо обтекаемого тела [8, 9].
Для того чтобы выяснить, как течение размывает
грунт вокруг опоры, необходимо изучить и опи-
сать структуру этих крупномасштабных когерен-
тных вихревых систем и мелкомасштабных ви-
хрей, а также их взаимодействие с обтекаемой по-
верхностью и грунтом на разных стадиях процесса
размыва.
Известно, что основной механизм формирова-
ния и развития отверстия размыва включает в се-
бя (рис. 1) направленное ко дну течение в передней
или фронтальной части опоры (2), формирова-
ние подковообразной вихревой системы (3) вблизи
основания опоры и следных вихрей (4), которые
сходят с поверхности опоры [8, 10, 11]. В результа-
те взаимодействия отрывного и ниспадающего те-
чений перед опорой, подковообразных и следных
вихрей грунт перед опорой размывается, а поза-
ди нее образуется намыв грунта (5) в виде дюн
или рифелей. Подковообразный вихрь обусловлен
отрывом пограничного слоя (1), натекающего на
опору, в результате действия отрицательного гра-
диента давления, возникающего вблизи фронталь-
ной части опоры. Взаимодействие пограничного
слоя с поверхностью опоры вынуждает структу-
ру турбулентности перестроиться вблизи передней
Рис. 2. Схематическое изображение особеностей
генерации подковообразных вихревых структур перед
цилиндром и их влияние на размыв и намыв грунта
части опоры в месте сопряжения ее с дном в ряд
ожерельеподобных вихрей. Эти вихревые систе-
мы при передвижении вытягиваются вокруг опо-
ры под действием боковых градиентов давления.
Расположение, размер и интенсивность подково-
образных вихрей значительным образом изменяю-
тся во времени в зависимости от стадии или фазы
их формирования или развития [12–14]. При этом
дополнительно наблюдается значительное увели-
чение турбулентной кинетической энергии, уров-
ней пульсаций скорости и давления, а также при-
донных сдвиговых напряжений внутри и вблизи
подковообразной вихревой области.
Экспериментальные и численные исследования
[7, 10, 13–16] показывают, что структура подко-
вообразной вихревой системы сильно зависит от
числа Рейнольдса и характеристик пограничного
слоя, который формируется перед обтекаемой пре-
градой. Структура подковообразной вихревой сис-
темы, например, для режима ламинарного обтека-
ния состоит из ряда основных крупномасштабных
вихрей (рис. 2) [5, 7]. Первичный вихрь (HV1) ра-
сполагается в средней позиции, в то время как
угловой вихрь (JV) находится ближе всего к опо-
ре. Вторичный вихрь (HV2), который развивае-
тся, формируется на позиции, которая находится
на наибольшем расстоянии от поверхности обте-
каемой опоры. Между первичным и вторичным
вихрем генерируется придонный присоединенный
вихрь (BAV). Развивающийся вихрь порождается
пограничным слоем, который отрывается от обте-
каемой поверхности дна. Этот вихрь постепенно
переносится вниз по потоку и, в конце концов, ста-
новится новым первичным вихрем. В это время
первичный вихрь перемещается по направлению
к угловому вихрю и постепенно сливается с ним
(см. рис. 2). Процесс этот является периодическим
[4, 7, 17], генерируя низкочастотные колебания ви-
28 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
Рис. 3. Вид модели гидродинамического канала и
расположение мостовых опор в ходе исследований
хревого течения как вокруг плохо обтекаемых тел,
установленных на жесткую поверхность, так и ра-
сполагающихся на размываемом грунте.
Под действием подковообразных вихревых стру-
ктур, имеющих различную форму и интенсив-
ность, на обтекаемой поверхности отверстия ра-
змыва генерируются различные по интенсивно-
сти и спектральному наполнению поля касатель-
ных напряжений и пристеночных давлений [18,
19]. При этом спектральное представление, на-
пример, поля псевдозвуковых пульсаций присте-
ночного давления имеет характерные особенности
в виде дискретных составляющих, обусловленных
действием вихревых структур. Известно, что во-
зникновение псевдозвуковых возмущений на обте-
каемой поверхности обусловлено нестационарным
взаимодействием вихревых структур в пограни-
чном слое или отрывном течении между собой, а
также взаимодействием вихрей с обтекаемой по-
верхностью. В связи с тем, что пульсации при-
стеночного давления интегрально отражают су-
ществование пульсаций поля скорости, характер и
интенсивность поля пульсаций давления на обте-
каемой поверхности во многом определяется дви-
жением когерентных вихревых структур в отвер-
стии размыва грунта. В различных точках турбу-
лентного потока вихревое движение, обусловлен-
ное перемещением вихревых структур различных
масштабов, генерирует различные по интенсивно-
сти гидродинамические давления [17, 19]. Пере-
нос средним потоком этих источников мимо непо-
движного наблюдателя (или мимо датчика давле-
ния) создает для наблюдателя эффект осцилли-
рующих во времени давлений, внешне не отличи-
мых от звуковых пульсаций. Однако эти пульса-
ции не звуковые. Для этих давлений сжимаемость
жидкости не является определяющим фактором, а
их интенсивность не зависит от числа Маха. Ско-
рость переноса псевдозвуковых давлений не отно-
сится к скорости звука, а полностью определяе-
тся только скоростью их переноса потоком. Кро-
ме того, звуковые волны подчиняются принципу
суперпозиции (поскольку их можно считать ли-
нейными колебаниями среды), а псевдозвуковые
пульсации скорости и давления в нестационарном
потоке, представляющие собой нелинейные явле-
ния, не подчиняются принципу суперпозиции [20].
Цель данной экспериментальной работы – опре-
деление пространственно-временных характери-
стик поля псевдозвуковых пульсаций пристено-
чного давления в отверстии размыва грунта перед
призматической моделью, а также источников их
генерации.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Физическое моделирование вихревого течения
вблизи плохо обтекаемого тела в виде призмати-
ческой конструкции, установленной на размывае-
мом основании, проводилось в открытом гидроди-
намическом канале длиной 14 м, шириной 1.5 м
и глубиной 0.65 м. На удалении около 8 м от
начала канала устанавливалась призматическая
модель или опора (рис. 3), засыпанная просеян-
ным кварцевым песком на высоту около 0.3 м от
дна канала. В измерениях песок, имеющий раз-
мер зерен d50 = 0.35 · 10−3 м, формировался в
виде плоского дна [21]. Ширина прямоугольника
у основания призматической модели составляла
b = 114 · 10−3 м, а длина a = 300 · 10−3 м (крупно-
масштабная модель масштабом 1:50 относительно
натуры) и b = 40 · 10−3 м и a = 95 · 10−3 м (мел-
комасштабная модель). В ходе исследований глу-
бина потока (H) изменялась от 0.17 до 0.34 м, а
среднерасходная скорость течения (U) – от 0.15 до
0.59 м/с, которым соответствуют числа Рейнольд-
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов 29
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
Рис. 4. Расположение датчиков пульсаций
пристеночного давления в отверстии размыва грунта
перед призматической опорой
са Reb = Ub/ν от 6000 до 67000 и числа Фруда
Fr= U/
√
gH от 0.08 до 0.45, где ν – коэффициент
кинематической вязкости воды; g – ускорение сво-
бодного падения.
В соответствии с разработанной методикой и
программой исследований в отверстии размыва
грунта перед обтекаемой призматической моде-
лью пульсации пристеночного давления измеря-
лись миниатюрными (диаметр чувствительной по-
верхности 1.6 · 10−3 м) датчиками пульсаций дав-
ления, которые располагались заподлицо с обте-
каемой поверхностью отверстия размыва и вбли-
зи него вдоль срединного сечения призмы, как по-
казано на рис. 4. Датчики устанавливались сле-
дующим образом: датчик № 1 находился перед
отверстием размыва на удалении (15 . . .20)·10−3 м
от кромки отверстия; датчик № 2 устанавливал-
ся по середине верхнего склона отложения песка
в отверстии размыва; датчик № 3 находился на
гребне между верхним и нижним склонами отло-
жения песка в отверстии размыва и датчик № 4
располагался на удалении около 10 · 10−3 м от по-
верхности призматической модели (в области наи-
большей глубины размыва).
Электрические сигналы, генерируемые пьезоке-
рамическими элементами датчиков, которые со-
ответствовали уровням пульсаций пристеночно-
го давления в точках измерений, поступали
на предварительные усилители. Далее сигналы
подавались на двухканальный анализатор спе-
ктров фирмы "Брюль и Къер"либо посредством
16-канальных аналогово-цифровых преобразова-
телей на персональные компьютеры. Измерен-
ные данные обрабатывались и анализировались с
использованием алгоритма быстрого преобразова-
ния Фурье по стандартным и специально разра-
ботанным программам и алгоритмам статистиче-
ской обработки случайных процессов. Перед изме-
рениями и в процессе измерений датчики кали-
бровались и поверялись с помощью абсолютных и
относительных методов. Погрешность измерений
интенсивности пульсаций пристеночного давления
не превышала 6% с надежностью 0.95 или 2σ, а
спектральных составляющих пульсаций давления
– до 2 дБ в частотном диапазоне от 0.2 до 800 Гц.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Как показали визуальные наблюдения [9, 21], в
результате взаимодействия набегающего потока с
моделью призматической конструкции, располо-
женной на плоском размываемом дне, в окрестно-
сти последней наблюдается перемещение песка с
формированием размывов и намывов грунта. Пе-
ренос размываемого грунта вблизи плохо обте-
каемого тела обусловлен особенностями течения
и генерации подковообразных и следных вихрей.
Размыв грунта перед опорами, независимо от их
формы и размеров, и намыв грунта позади них
формируется подковообразными и следными ви-
хревыми системами. Эти системы, соответствен-
но, огибают основание опоры вблизи ее сопряже-
ния с размываемым грунтом, а также зарожда-
ются в кормовой части опоры. Вследствие дей-
ствия неблагоприятного градиента давления, обу-
словленного расположением плохо обтекаемого те-
ла в потоке, при определенных числах Рейнольдса
и Фруда, появляется отрыв пограничного слоя пе-
ред фронтальной частью опоры с формированием
отрывной линии на поверхности дна вокруг опоры
[1, 7]. В области отрыва генерируются подково-
образные вихревые структуры, которые огибают
плохо обтекаемое тело. При взаимодействии набе-
гающего потока с фронтальной поверхностью, на-
пример, мостовой опоры образуется ниспадающее
течение, направленное ко дну, которое формиру-
ет еще одну систему крупномасштабных подково-
образных вихрей [1, 8, 14].
Визуализация течения вблизи призматической
опоры и анализ видеоматериалов позволили оце-
нить пространственно-временные характеристики
подковообразных вихрей, генерируемых в отвер-
стии размыва, а также проследить за их эво-
люцией. Формирование подковообразных вихрей
и их взаимодействие с обтекаемой поверхностью
приводит к интенсивному размыву контрастно-
го покрытия, которое использовалось при про-
ведении визуальных исследований (рис. 5,а). На
размываемой поверхности, когда придонная ско-
30 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
а б
Рис. 5. Размыв контрастного покрытия вблизи призматической модели на жесткой поверхности (а) и размыв
грунта вблизи нее на размываемой поверхности (б)
рость, обусловленная вихревым движением, пре-
вышает критическую скорость переноса частичек
грунта, определенную из [22] эмпирической зави-
симостью Vc = 6.19H1/6d
1/3
50
, тогда песчинки на-
чинают перемещаться и вблизи опор формирую-
тся размыв и намыв грунта (рис. 5,б). С течением
времени глубина размыва грунта увеличивается,
а высота намыва растет. При установившемся ре-
жиме размыва, который наступает через нормиро-
ванное время Vct/H > 4 ·104, форма и размеры ра-
змывов остаются практически постоянными. Как
показали исследования [21], наибольшая глубина
размыва грунта наблюдается на удалении 0.25b от
основания призмы, а ширина отверстия размыва
составляет 2.5 глубины размыва.
Профили размыва грунта перед фронтальной
стенкой призмы имеют два характерных участка с
разными углами наклона (см. рис. 5,б и 6,б). Они
обусловлены формированием двух систем квази-
устойчивых крупномасштабных подковообразных
вихревых структур. Когда плохообтекаемое тело,
независимо от его формы, располагается на нера-
змываемой поверхности, то в его основании гене-
рируется система подковообразных вихрей, схема-
тически показанная на рис. 6, а. Эта система со-
стоит из двух пар противоположно вращающихся
вихрей, огибающих мостовую опору. Эти вихревые
структуры колеблются в пространстве вблизи опо-
ры и взаимодействуют как между собой, так и с
обтекаемой поверхностью. Как показали исследо-
вания пространственно-временных характеристик
полей скорости и давления вблизи моделей мосто-
вых опор [17, 19], частота колебаний крупномас-
штабных вихрей 1 и 3 на рис. 6, а соответствует
числам Струхаля St= fd/U = (0.15 . . .0.2).
Обнаружено, что размыв грунта сначала прои-
сходит вблизи фронтальных ребер призмы за счет
формирования отрывного течения и вертикаль-
ных вихрей на этих ребрах. Затем размыв наблю-
дается под крупномасштабными вихрями, обозна-
ченными цифрами 1 и 3 на рис. 6, а. При этом
размыв под вихрем № 3 происходит более интен-
сивно. В то время, когда размывы увеличиваю-
тся, мелкомасштабные подковообразные вихревые
структуры № 2 и № 4 становятся менее заме-
тными и постепенно вырождаются. Когда глуби-
на размыва грунта достигает величины, близкой
половине ширины призмы, формируется квазиу-
стойчивая подковообразная вихревая система, ко-
торая состоит из двух крупномасштабных вихрей,
сформированная из вихрей 1 и 3, показанных на
рис. 6, а.
Схема равновесного состояния размыва грунта
в его фронтальном серединном сечении показана
на рис. 6, б. В углублении вращаются две крупно-
масштабные подковообразные вихревые структу-
ры, формирующие размыв грунта и переносящие
частички песка от передней части конструкции в
ее кормовую область. Подковообразные вихри со-
вершают осциллирующее движение, обмениваю-
тся друг с другом энергией, нередко объединяю-
тся и разрушаются на более мелкие вихри. Перед
призматической опорой вихревая структура, ра-
сполагающаяся ближе к фронтальной стенке, име-
ет меньший масштаб. Она образует наибольший
размыв грунта, обладающий большим углом скло-
на отложения песка. В области взаимодействия
отрывного подковообразного вихря (1 на рис. 6)
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов 31
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
а б
Рис. 6. Схема формирования подковообразных вихревых структур перед плохо обтекаемым телом на жесткой
поверхности (а) и в отверстии размыва грунта (б)
Рис. 7. Изменение интенсивности пульсаций
пристеночного давления на поверхности размыва
грунта перед призматической опорой
с размываемым грунтом угол склона отложения
песка в отверстии размыва меньший и размыв под
этим вихрем менее глубокий. Перед опорой, в ме-
сте сопряжения поверхностей опоры и дна, там,
где показан вихрь № 4 на рис. 6, а, на всех профи-
лях размыва грунта регистрируется намыв грун-
та. Также между двумя углублениями, которые
формируются крупномасштабными подковообра-
зными системами, в профиле размыва грунта на-
блюдается намыв песка (см. рис. 6, б). Этот намыв
песка разделяет два склона отверстия размыва и
при визуальных наблюдениях имеет достаточно
четкие очертания, хотя ему и присущий осцилли-
рующий в пространстве характер, отвечающий ча-
стотам колебательного движения вихревых стру-
ктур.
В зависимости от местоположения точек изме-
рения пульсаций пристеночного давления интен-
сивность пульсаций и их спектральный характер
изменяются в соответствии с особенностями ви-
хревого течения внутри отверстия размыва грун-
та. Среднеквадратичные значения пульсаций при-
стеночного давления, нормированные динамиче-
ским давлением (q = ρU2/2), показаны на рис. 7 в
зависимости от числа Рейнольдса, рассчитанного
по ширине призматической модели. Здесь номера
кривых отвечают номерам датчиков, показанным
на рис. 4. Перед отверстием размыва пульсации
пристеночного давления равны 0.01q и слабо за-
висят от числа Рейнольдса. В отверстии размыва
интенсивность пульсаций пристеночного давления
растет с ростом числа Рейнольдса. Наименьшие
уровни пульсаций пристеночного давления наблю-
даются в области формирования верхнего скло-
на размыва, где генерируется крупномасштабная
подковообразная вихревая структура (обозначен-
ная цифрой 1 на рис. 6,б), обусловленная отрывом
пограничного слоя с передней кромки отверстия
размыва. Максимальные уровни пульсаций при-
стеночного давления зафиксированы там, где ни-
спадающее течение вдоль поверхности призмы
взаимодействует с размываемым грунтом, фор-
мируя интенсивный подковообразный вихрь (2),
который образует нижний склон отверстия ра-
змыва. Интенсивность пульсаций пристеночного
давления в нижней части отверстия размыва более
чем на порядок превышает интенсивность пульса-
ций пристеночного давления под отрывным подко-
вообразным вихрем, образующим верхний склон
отложения песка в отверстии размыва грунта пе-
ред призматической моделью (см. кривые 4 и 2 на
32 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
а
б
в
Рис. 8. Спектральные плотности мощности пульсаций
пристеночного давления на поверхности размыва
грунта перед призматической опорой для чисел
Рейнольдса и Фруда: Reb = 20500 и Fr= 0.1 (а),
Reb = 37600 и Fr= 0.19 (б) и Reb = 50200 и Fr = 0.25
(в)
рис. 7).
Спектральные плотности мощности пульсаций
пристеночного давления внутри и вблизи отвер-
стия размыва грунта перед призматической моде-
лью показаны на рис. 8. Здесь уровни спектров
представлены в дБ относительно 2 · 10−5 Па в за-
висимости от безразмерной частоты в виде ω∗ =
2πfb/U . Номера кривых соответствуют номерам
датчиков, показанным на рис. 4. Для скорости те-
чения 0.18 м/с, которой соответствуют числа Рей-
нольдса Reb=20500 и Фруда Fr=0.1, спектраль-
ные зависимости представлены на рис. 8,а. Вблизи
призматической модели уровни пульсаций присте-
ночного давления наибольшие во всем исследуе-
мом частотном диапазоне (кривая 4), а в области
формирования подковообразной вихревой струк-
туры из отрывной области пограничного слоя спе-
ктральные уровни наименьшие (кривая 2). Разни-
ца между спектральными зависимостями состав-
ляет более чем 20 дБ. Максимум спектров имеет
место на безразмерной частоте ω∗ ≈ 1.3 в области
верхнего склона отложения песка в отверстии ра-
змыва и ω∗ ≈ 2.8 вблизи призматической модели.
В области расположения датчика № 3 (область на-
носа песка между двумя склонами) максимальные
значения наблюдаются на обеих этих безразмер-
ных частотах.
Результаты исследований спектральных зави-
симостей пульсаций пристеночного давления на
обтекаемой поверхности размыва грунта перед
призматической моделью для скорости течения
0.33 м/с (Reb=37600 и Fr=0.19) показаны на
рис. 8,б. Для этого режима течения характер изме-
нения спектров в исследуемых местоположени-
ях остался прежним. Максимальные уровни на-
блюдаются вблизи призмы, а минимальные – в
области формирования подковообразной вихревой
структуры, располагающейся выше по потоку. Ма-
ксимумы спектров имеют место на безразмерных
частотах ω∗ ≈ 0.76 в области верхнего склона оса-
ждения песка в отверстии размыва и ω∗ ≈ 2.28
вблизи призматической модели.
Когда скорость потока в гидродинамическом
канале увеличили до 0.44 м/с, которой соответ-
ствуют числа Рейнольдса и Фруда Reb=50200 и
Fr=0.25, то характер изменения спектральных за-
висимостей остался прежним, как показано на
рис. 8,в. Однако максимальные значения спе-
ктральных уровней наблюдаются на безразмер-
ных частотах ω∗ ≈ 0.57 в области верхнего склона
осаждения песка и ω∗ ≈ 1.71 вблизи призматиче-
ской модели. При этом максимумы в области на-
носа песка между двумя подковообразными вихре-
выми системами, формирующимися в отверстии
размыва перед призматической моделью, наблю-
даются на обеих этих частотах.
Итак, внутри отверстия размыва перед призма-
тической моделью имеют место повышенные уров-
ни пульсаций пристеночного давления вблизи при-
змы там, где взаимодействует ниспадающее те-
чение, направленное вдоль обтекаемой поверхно-
сти призматической модели ко дну. Максимумы
спектральных уровней в области, прилегающей
к обтекаемой поверхности призмы, зафиксирова-
ны на частотах, которые в (2...3) раза выше, чем
в области формирования отрывной подковообра-
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов 33
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
зной вихревой системы. Эти частоты, как пока-
зывают визуальные измерения, отвечают часто-
там вращения крупномасштабных вихревых стру-
ктур, огибающих призматическую модель [17, 19].
Крупномасштабный подковообразный вихрь, ко-
торый формируется из циркуляционного течения,
генерируемого при отрыве пограничного слоя на
передней кромке отверстия размыва, имеет безра-
змерную частоту вращения St ≈(0.1...0.2). Напом-
ним, что этот вихрь образует верхний склон отло-
жения песка в отверстии размыва грунта перед
призматической моделью, что схематически пока-
зано на рис. 6, б. Крупномасштабный подковообра-
зный вихрь, который формируется в нижнем по
потоку склоне отложения песка вблизи призмати-
ческой модели, вращается с безразмерной часто-
той St ≈(0.3...0.5). При этом с увеличением чис-
ла Рейнольдса, обусловленного ростом скорости
потока, частота вращения обоих подковообразных
вихрей уменьшается.
ВЫВОДЫ
Результаты экспериментальных исследований
дали возможность сделать следующие выводы:
1. Установлено, что в отверстии размыва грун-
та перед плохо обтекаемым телом, для устой-
чивого режима обтекания, формируются две
квазиустойчивые крупномасштабные подко-
вообразные вихревые структуры. Первая из
них генерируется при отрыве погранично-
го слоя с передней кромки отверстия ра-
змыва и формирует верхний склон углу-
бления. Вторая подковообразная структура
меньшего размера образуется при взаимо-
действии сдвигового слоя над углублением
и ниспадающего течения вдоль фронтальной
поверхности призматической модели и фор-
мирует нижний склон углубления. Верхний
склон отложения песчаного грунта фронталь-
ного углубления, находящийся выше по пото-
ку, имеет меньший угол наклона относительно
горизонтальной оси, чем угол склона нижней
части воронки размыва, прилегающий к пере-
дней поверхности призмы.
2. Зафиксировано, что в отверстии размыва
грунта перед призматической моделью наи-
большая интенсивность пульсаций пристено-
чного давления наблюдается там, где ниспа-
дающее течение вдоль обтекаемой поверхно-
сти призмы взаимодействует с размываемым
грунтом. Здесь уровни пульсаций давления
более чем на порядок превышают пульсации
давления под подковообразной вихревой си-
стемой, которая формируется при отрыве по-
граничного слоя с передней кромки отверстия
размыва.
3. Обнаружено, что внутри отверстия размыва
грунта перед призматической моделью наи-
большие уровни спектральных составляющих
пульсаций пристеночного давления наблюда-
ются вблизи основания призмы, а наимень-
шие – на дне верхнего склона отложения
песка в отверстии размыва. Разница спе-
ктральных уровней в этих областях достига-
ет 20 дБ во всем исследуемом диапазоне ча-
стот. В спектральных зависимостях наблюда-
ются дискретные подъемы на частотах враще-
ния крупномасштабных подковообразных ви-
хрей, формирующихся внутри отверстия ра-
змыва. Частота вращения подковообразного
вихря вблизи призмы в (2...3) раза выше, чем
внутри верхнего по потоку склона отложения
песка в отверстии размыва. С увеличением
скорости течения (соответственно, чисел Рей-
нольдса и Фруда) безразмерная частота вра-
щения подковообразных вихрей убывает.
1. Dargahi B. Flow field and local scouring around
a cylinder.– Stockholm, Sweden: Royal Institute of
Technology, 1987.– 47 p.
2. Beg M., Beg S. Scour reduction around bridge pi-
ers: A review // International Journal of Engineering
Inventions.– 2013.– 2, № 7.– P. 7–15.
3. Sorensen R.M. Basic coastal engineering.– Berlin:
Springer, 2006.– 324 p.
4. Nielsen A. W., Liu X., Sumer B. M., Fredsoe J. Flow
and bed shear stresses in scour protections around a
pile in a current // Coastal Engineering.– 2013.– 72,
№ 2.– P. 20–38.
5. Ettema R., Kirkil G., Muste M. Similitude of large-
scale turbulence in experiments on local scour at cyli-
nders // J. Hydraulic Eng.– 2006.– 132, № 1.– P. 33–
40.
6. Ataie-Ashtiani B., Aslani-Kordkandi A. Flow field
around side-by-side piers with and without a scour
hole // European J. Mechanics - B/Fluids.– 2012.–
36, № 6.– P. 152–166.
7. Melville B. W. Pier and abutment scour: Integrated
approach // J. Hydraulic Eng.– 1997.– 123, № 2.–
P. 125–136.
8. Ettema R., Constantinescu G., Melville B. Evaluati-
on of bridge scour research: Pier scour processes and
predictions // Final Report for NCHRP Project 24-
27(01).– 2011.– № 175.– P. 1–195.
9. Воскобойник А. А., Воскобойник А. В., Воскобой-
ник В. А. Визуализация сопряженного обтекания
групповой мостовой опоры // Вiсник Донецького
Унiверситету, Сер. А: Природничi науки.– 2008.–
Вип. 1.– С. 219–227.
34 А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 2. С. 27 – 35
10. Воскобiйник A. B., Воскобiйник В. А., Воскобой-
ник O. A. Спряжене обтiкання трирядного паль-
ного ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1.
Формування пiдковоподiбних вихорiв // Прикла-
дна гiдромеханiка.– 2008.– 10, № 3.– С. 28–39.
11. Krajnovic S. Flow around a tall finite cylinder
explored by large eddy simulation // J. Fluid Mech.–
2011.– 676.– P. 294–317.
12. Kirkil G., Constantinescu G. A numerical study of the
laminar necklace vortex system and its effect on the
wake for a circular cylinder // Phys. Fluids.– 2012.–
24, № 7.– P. 073602–1–26.
13. Escauriaza C., Sotiropoulos F. Lagrangian model of
bed-load transport in turbulent junction flows // J.
Fluid Mech.– 2011.– 666.– P. 36–76.
14. Kirkil G., Constantinescu G., Ettema R. Coherent
structures in the flow field around a circular cylinder
with scour hole // J. Hydraulic Eng.– 2008.– 134,
№ 5.– P. 572–587.
15. Radice A., Tran C. K. Study of sediment moti-
on in scour hole of a circular pier // J. Hydraulic
Research.– 2012.– 50, № 1.– P. 44–51.
16. Das S., Das R., Mazumdar A. Comparison of
characteristics of horseshoe vortex at circular and
square piers // Research Journal of Applied Sci-
ences, Engineering and Technology.– 2013.– 17, № 5.–
P. 4373–4387.
17. Воскобiйник A. B., Воскобiйник В. А., Воскобой-
ник O. A. Просторово-часовi кореляцiї та спектри
пульсацiй швидкостi спряженої течiї поблизу три-
рядного ансамблю цилiндрiв // Проблеми водо-
постачання, водовiдведення та гiдравлiки.– 2009.–
Вип. 12.– С. 165–177.
18. Ataie-Ashtiani B., Aslani-Kordkandi A. Flow field
around single and tandem piers // Flow, Turbulence
and Combustion.– 2013.– 90, № 3.– P. 471–490.
19. Воскобойник В. А. Статистические характеристи-
ки поля скоростей сопряженного течения вокруг
трехрядного свайного ростверка // Вiсник Доне-
цького Унiверситету, Сер. А: Природничi науки.–
2008.– Вип. 2.– С. 130–137.
20. Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движу-
щейся среды.– М.: Наука, 1981.– 208 с.
21. Воскобойник А. А., Воскобойник А. В., Воскобой-
ник В. А., Марченко А. Г., Никишов В. И. Локаль-
ный размыв грунта при взаимодействии мостовых
опор, находящихся в следе друг за другом // При-
кладна гiдромеханiка.– 2006.– 8, № 3.– С. 16–26.
22. Laursen E. M. An analysis of relief bridge scour //
J. Hydraulic Division.– 1963.– 89.– P. 93–118.
А.А. Воскобойник, А.В. Воскобойник, В.А. Воскобойник, В.И. Никишов 35
|