Методология приближенного физического моделирования в гидравлике

• Автор: Прудовский, Александр Моисеевич
• Шифр специальности: 05.23.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 56 с. : ил.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Инженерная гидравлика является одной из наиболее важных научных‘дисциплин, использование которой необходимо как в большинстве областей техники', так И в других сферах жизни-и ЙеЯТельности человеческого обшества. Традиционная значимость инженерной гидравлики возрастает в настоящее время вследствие все большего осознания 'Обществом’ того факта, что высококачественная вода является весьма • дефицитным природным ресурсом, Несмотря на то, что постоянно идет процесс сближения гидравлики и гидромеханики, существенные отличия' между этими науками 'сохраняются, что связано, в первую очередь, с неэамкнутостью математического описания процессов в движущейся жидкости (и прежде всего механизмов турбулентности), затрудняющей использование в практических целях гидромеханических подходов.
Гидравлика переживает особый период ее длительной истории, связанный, как во многик' других науках, с широким и все увеличивающимся внедрением вычислительных методов на базе Использования современных ЭВМ. Применение ЭВМ значительно расширило круг гидравлических задач, которые могут бЫТь решены расчетом'■ без постановки лабораторных исследований (физического моделирования). Это дало возможность решать сложные задачи (особенно, лежащие на границах с другими науками), разрешение которых недавно было- за пределами технических возможностей. Однако возросшее использование численных методов (численного моделирования) не привело к снижению значимости лабораторных исследований. Такая ситуация связана, с одной сторбны, с отмеченной выше неполнотой математических моделей гидравлических явлений' во многих практически важных случаях, и, с другой стороны, с рядом технических причин) по которым для решения конкретных задач физическое моделирование имеет преимущества перед численным. Общепринятым мнением международного сообщества гидравликов признано, что в настоящее время оптимальным путем гидравлических исследований - является сочетание численного и физического моделирования: Такой подход к гидравлическим исследованиям, называемый гибридным моделированием, формируется в настоящее время в особый разДел гидравлики Содержание этого раздела, практические приемы метода гибридного моделирования и другие его составляющие, вплоть до терминологии, еще не устбялйсь и разработка основных положений гибридного моделирования составляет одну'иэ'задач настоящей работы.
ЭВМ в составе физического эксперимента используется также для усовершенствования техники лабораторных исследований и для управления ими.
Широкое использование гидравлического (физического) моделирования началось многие десятилетия назйд. Идеи подобия явлений, на которых основывается один из путей познания - использование аналогий, в том числе физического моделирования - восходят ко временам Леонардо да Винчи. В их формирование существенный вклад внесли Голнллей,’ Ньютон, Фурье. В современном виде учение о подобии сложилось во второй половине XIX и начале XX вв. Среди ученых, чьи работы легли в основу теории подобия и теории размерностей (Бертран, Букингем, Федерман), значительное место занимают наши соотечественники - Г.А. Афанасьева-Эреифсст и ВЛ. Кирпичев. Ряд общих вопросов теории подобия разработан также

М.В. Кирличевым, Л.И. Седовым, А.А. Гухманом, Г.И. Баренблатгом, С.С. Кутателаазе, В.А. Зениковым. В мировой научно-технической литературе имеются многочисленные монографии, посвященные гидравлическому (физическому) моделированию. Первые книги по гидравлическому и связанному с ним термодинамическому моделированию в нашей стране появились в 30-е годы XX века.
Наряду с переводными работами в России вышли оригинальные книги отечественных авторов: С.В.Избаша, А.П.Зегжды, Л.Г. Лойцянского, М.А. Михеева, П.К. Конакова, И.И. Леви. Книги по данной тематике вышли в свет в последние годы как за рубежом, так и в России {Г.Кобус, П.Новак, И.Чабелка, Дж.Шарп, В МЛятхер, А.М Прудовский, ССКутателадзе).
При отмеченном многообразии работ в рассматриваемой области, казалось бы. вопросы гидравлического моделирования можно полагать разработанными достаточно полно. Однако интерес к гидравлическому моделированию в наши дни во всем мире не снижается. Об этом свидетельствует большое количество публикаций в периодической печати, международные симпозиумы и конференции, посвященные гидравлическому моделированию, рассмотрение вопросов моделирования практически на всех конгрессах Международной Ассоциации по гидравлическим исследованиям (1АНЯ).
Такая ситуация связана, прежде всего, с недостаточным уровнем разработки принципиальных Еюлросов гидравлического моделирования, проявляющихся при усложнении гидравлических задач, выдвигаемых современной практикой, в том числе в задачах на границах с другими науками, с усложнением условий однозначности, особенно при изучении природных объектов. При этом оказывается, что точное выполнение условий подобия практически невозможно, и поэтому особенно остро встают вопросы приближенного моделирования. До последнего времени в специальной литературе должным образом не было сформулировано само понятие приближенного моделирования, не определены критерии допустимых приближений и не разработаны методы их оценки, а также методы выбора условий приближенного подобия.
В современной гидравлике используется термин "масштабный эффект", который служит по существу мерой приближенности моделирования или ошибки в определении значения той или иной величины в результате моделирования. Ошибки в оценке прогнозируемых значений величин и связей могут привести к существенным практическим техн и ко-экономическим просчетам, а иногда к к катастрофическим последствиям.
Цели и задачи работы. Цель работы - установить место гидравлического (физического) моделирования в современной инженерной гидравлике; изучить соотношение между физическим и численным моделированием, в том числе сочетание физического и численного моделирования в пределах "гибридного" подхода; исследовать принципиальную значимость ряда условий подобия; предложить принципы, методологию и терминологию приближенного физического моделирования; разработать основы и технологию использования некоторых новых аналогий в гидравлике; установить правила приближенного подобия применительно к

14). Вследствие указанной автомодельности воздействие распавшейся струи на дно водотока в низкочастотной части спектра можно воспроизвести при моделировании, плотины высотой 100...200 м на модели в масштабе 1:30...1.20.
Рис. 14. Зависимость максимального стандарта пульсации давления на дно от числа Уе
При совместном движении газа й жидкости могут образовываться многообразные газожидкостные системы. Вследствие многофакторности явлений, характерных для газожидкостных течений, их точное физическое моделирование достижимо только в частных случаях, а методы приближенного подобия разработаны недостаточно. Трудности моделирования еще более возрастают, когда по техническим причинам приходится использовать на модели жидкости и газы, существенно отличающиеся от таковых в натуре, например!, при воспроизведении Парожидкостных потоков воздушно-водяными.
В частных задачах иногда полезно использовать комбинации обычных критериев при условии, что доказана автомодельность по комбинациям критериев, как это предлагается в работах С.С.Кутателадзе. При составлении критериев подобия газожидкостных систем удобно использовать так называемые внутренние линейные масштабы - комплексы, имеющие размерность хитины и включающие только свойства фаз.
Формулировка условий подобия существенно упрощается в тех случаях, когда внутренние межфазовые границы определены a priori, например, по экспериментальным данным. Частным случаем здесь являются пузырьковые (или капельные) двухфазные потоки при установившихся размерах Пузырей (капель). При этом целесообразно в качестве условия подобий ввести’'симплекс Cq/w, где W=w(We, Re, Аг) - гидравлическая крупность включений (здесь Аг ~ критерий Архимеда). Вследствие того, что обычно Sw=l, даже при воспроизведении" пароводяных течений воздушно-водяными такой подход приемлем лишь в областях автомодельности по Fr.
Приближенное подобие результатов моделирования с использованием данного подхода подтверждается результатами' работ некоторых зарубежных исследователей и наших исследований парожидкостйых потоков в эйёментах технологического ' оборудования АЭС [22]. ....■.■-■!■- ■■■ ■
Использование в качестве критерия подобия симпДексё Oo/W целесообразно й*в некоторых случаях моделирований Движения’твердых частиц в жидкости, как это ’