Развитие теории и методов гидравлических, ледотехнических и гидротермических расчетов водоемов и водотоков с ледяным покровом

• Автор: Козлов, Дмитрий Вячеславович
• Шифр специальности: 05.23.16, 05.23.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 361 с. : ил

1.1. Льды как составная часть гидросферы Земли

1.2. Иерархическая структура наук ИСН о льдах.

1.3. Гидроледотермика, ледотехника и ледовая гидравлика

составляющие ИСН о льдах

1.4. Лед как объект научного познания.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Методология системных представлении о пресноводном льде

водоемов и водотоков суши

2.1. Классификация льдов. Функциональное положение льда в природе.

2.2. Процесс кристаллизации.

2.3. Структура и текстура пресноводного льда

2.4. Условия льдообразования. Состав ледяного покрова.
2.5. Структурнофункциональная схема процесса формирования
пресноводного льда
2.6. Механические свойства льда .
2.7. Толщина ледяного покрова общие сведения, методы определения
толщины льда
Выводы по главе 2.
Глава 3. Основные закономерности ледового и зимнего термического режимов водоемов и водогоков. Экологические проблемы
гидроледотермики водных объектов.
3.1. Годовой термический цикл водоемов
3.2. Зимний термический режим водоемов
3.3. Зимний термический режим водотоков.
3.4. Ледовый режим водоемов и водотоков.
3.4.1. Ледовый режим водоемов.
3.4.2. Ледовый режим рек
3.4.3. Ледовый режим зарегулированных рек и каналов.
3.5. Годовой термический цикл водохранилищ на р.Колыме
3.5.1. Термический режим Колымского водохранилища и нижнего
бьефа Колымского гидроузла.
3.5.2. Ледовый и термический режим строящегося водохранилища УстьСреднеканской ГЭС.
3.6. Гидроледотермические аспекты экологии водных объектов.
Выводы по главе
Глава 4. Методы практической гидроледотермики, используемые для расчета температуры воды и льдообразования в водоемах и водотоках. Тепловой режим и процессы промерзанияоттаивания пресноводных водоемов.
4.1. Сравнительный анализ методов практической гидроледотермики, используемых для расчета температуры воды и льдообразования в водоемах и водотоках.
4.2. Длиннопериодная модель теплового режима и процессов промерзания оттаивания малопроточных пресноводных водоемов.
4.3. Численное моделирование термического режима Плещеева озера
Выводы по главе
Глава 5. Развитие теории и методов ледовой гидравлики водотоков.
5.1. Гидравлические сопротивления движению воды в потоках под
ледяным покровом.
5.2. Шероховатость нижней поверхности ледяного покрова на водотоках
факторы и условия формирования.
5.2.1. Общие положения и экспериментальные исследования
5.2.2. Результаты обработки эмпирического числового материала по исследованию ледовых волнообразований в водотоках.
5.3. Распределение скоростей в потоках под ледяным покровом
5.3.1. Расчетные схемы распределения скоростей и методы оценки кинематической структуры подледного потока
5.3.2. Комбинированная кинематическая модель
подледного потока
5.4. Определение положения динамической оси подледного потока
5.5. Методы гидравлических расчетов пропускной способности русл
в зимний период
5.5.1. Анализ существующих методов и подходов
5.5.2. Коэффициент шероховатости нижней поверхности ледяного покрова сравнительное исследование
5.5.3. Шкалы коэффициента шероховатости нижней поверхности льда
5.5.4. Методика расчета пропускной способности подледных русл, основанная
на использовании трехслойной комбинированной кинематической модели.3 Выводы по главе 5.
Глава 6. Волновые процессы на водоемах и в руслах водотоков, покрытых льдом.
6.1. Волновые колебания свободной поверхности акваторий водоемов и водотоков.
6.2. Экспериментальные и теоретические исследования волновых процессов
на водоемах, покрытых льдом
6.3. Экспериментальные и теоретические исследования волновых процессов
в руслах водотоков, покрытых льдом.
6.3.1. Волновые процессы в реках и каналах общие положения
6.3.2. Взаимодействие непрерывных волн попусков и ледяного покрова
на поверхности потока
6.3.3. Математические одномерные модели взаимодействия волн попусков со свободно плавающим ледяным покровом и шугой
6.3.4. Лабораторные исследования волн перемещения при наличии
ледяного покрова на поверхности потока.
6.3.5. Натурные экспериментальные исследования волн перемещения
в замерзающих водотоках
6.3.6. Взаимодействие прерывных волн и ледяного покрова
на поверхности потока
6.3.7. Поперечные колебания свободно плавающего ледяного покрова
при воздействии на него прерывной волны попуска
Выводы по главе
Глава 7. Воздействие льда на речные и морские сооружения.
7.1. Динамические воздействия льда на гидротехнические и
транспортные сооружения.
7.2. Воздействие льда на сооружения с вертикальной или наклонной гранью.
7.3. Динамические волновые нагрузки на вертикальную грань гидротехнических сооружений, вмороженных в лед.
7.4. Поперечный удар плавающей льдины об отдельно стоящую опору
сооружения, частично погруженную в воду.
Выводы по главе 7.
Глава 8. Способы искусственного разрушения ледяного покрова водоемов и водотоков обоснование, методы расчетов
8.1. Волновой способ разрушения льда
8.2. Разрушение ледяного покрова при ударе
8.3. Математическое моделирование взрывного способа разрушения ледяного покрова водоемов и водотоков
8.4. Осесимметричные поперечные колебания ледяного покрова водоема, обусловленные сосредоточенными импульсами давления
Выводы по главе 8.
Заключение.
Библиографический список.
ВВЕДЕНИЕ


Изза того, что молекулы воды обладают определенной ориентацией, в кристалле льда они вынуждены занимать тетраэдрические позиции Но, согласно одному из утверждений кристаллографии, существуют лишь две структуры, образуя которые, молекулы занимают тетраэдрические позиции, это гексагональная структура тридимита и кубическая типа алмаза рис. В действительности реализуются обе структуры льда. Однако, лед с кубической структурой существует лишь в метастабильной фазе, которая может образоваться только при температурах ниже 0С, причем для этого нужны еще особые условия. Обычный лед имеет гексагональную кристаллическую структуру, но это не исключает ее многообразия в широкой области температур и давлений различают типов структуры льда 5, из которых при пресноводном льде появляются чаще всего рис. Рис. Гексогональная кристаллическая структура льда Ш. Следует обратить внимание на тетраэдрические позиции молекул воды. Рис. Кристаллическая структура льда типа алмаз. Рис. Радиальнолучистая образуется в трещинах, порах и полостях или же при вторичном замерзании обломков льда. Специфической структурой отличается внуприводный лед. Из вышесказанного следует, что существует следующий взгляд на причину образования первичного кристалла внутриводного льда с одной стороны причина в попадании готового кристаллика льда извне, другая в том, что первичный кристаллик образуется спонтанно в воде или на границе раздела воды и твердой фазы. Состояние переохлаждения нарушается при появлении в воде зародыша, объем которого превышает определенное значение порядка мм3. Вероятность образования такого зародыша возрастает с увеличением объема воды, степени и продолжительности переохлаждения способствует кристаллизации также наличие в воде твердой фазы, особенно имеющей кристаллическую решетку, сходную со льдом 6. В малопереохлажденной воде внутриводный лед образован кристаллами дисковой формы. Их структура сравнительно простая. Кристаллографическая ось перпендикулярна к плоскости диска. Формы меняются со степенью переохлаждения. При переохлаждении до 0,3С образуются простые диски от 0,3 до 0,6С наблюдаются многокруговые дискоиды, смеси дискоидов и дендритные формы, а при переохлаждении 0,6С и выше иголки с преобладанием дендритной формы. В водном потоке кристаллы внутриводного льда сохраняют свою форму до диаметра приблизительно 5 мм. В последующем их край теряет прочность и стабильность, после чего становится зубчатым. Образующийся на водоемах лед обычно содержит ряд примесей минеральных нерастворимых частиц, растворы солей, газы, некоторое количество жидкой воды, что существенным образом отражается на текстуре льда. Текстура льда определена количеством, формой, размерами и пространственным размещением включений и инородных примесей. Она определяет прозрачность, цвет, пористость, слоистость или же волокнистость льда. Текстура оказывает влияние на удельный вес льда, его механические, термические, оптические и электрические свойства. Наличие пор в толще льда, уменьшает его плотность, повышает плавучесть, меняет его тепловые свойства. Наличие сквозных пор, сообщающихся с атмосферой, способствует более быстром проникновению тепла или холода в толщу льда. Переход пресной воды в лед сопровождается увеличением ее объема приблизительно на 9 и уменьшением удельного веса. Следовательно, лед, образующийся при нормальном давлении, легче воды. И роя ря роя 1 рлроя, 2. С и нормальном давлении. Таким образом, плотность пресноводного льда меньше плотности воды. Плотность льда р. I 1 п. С понижением температуры плотность льда увеличивается, а объем уменьшается. Влияние температуры приходится учитывать в расчетах, в которые входит разность плотностей воды и льда. Изменение плотности льда при изменении давления характеризуется коэффициентом сжимаемости р. Например, при изменении давления в интервале 1ьПа при 7,0 коэффициент Р 1. Коэффициент объемного расширения сжатия льда рг можно принять с достаточно высокой точностью постоянным и равным 0,оС. Теплофизические свойства пресноводного льда при температурах от 0 до С приведены в табл. Примеси солей в ледяном покрове могут быть разнообразными, изменяясь в широких пределах в зависимости от минерализации воды, из которой лед образовался и условий его формирования.