Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ВЛИЯНИЕ ШИРИНЫ ЛЕДОВОГО КАНАЛА НА ИЗМЕНЕНИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА В УСЛОВИЯХ ПРОДЛЕННОЙ НАВИГАЦИИ

Злобин А.А. 1
1 Сибирский Государственный технологический университет
Получена зависимость для определения скорости потока, учитывающая влияние ледового канала и стеснения потока буксируемым плотом в условиях продленной навигации. На скорость потока в период продленной навигации будут оказывать существенное влияние такие показатели как ширина канала в ледовом поле, шероховатость льда, шероховатость русла, осадка буксируемого плота и глубина потока. В данной работе экспериментально подтверждена выведенная формула, и исследованы закономерности потока вследствие изменения ширины ледового канала. В качестве материала заменяющего лед в лабораторной установке использовался полиэтилен высокого давления. Скорости потока замерялись при помощи гидрометрической микровертушки ГМЦМ–1. Результаты опытных и расчетных скоростей расходились на 3–4 %, что не является существенным. При увеличении ширины канала на 50% скорость потока увеличилась на 15%, за счет увеличения скорости под плотом почти в 2,5 раза и снижения скорости у стенок плота на 45%.
полиэтилен высокого давления (ПВД)
скорость потока
лесосплав
продленная навигация
1. Белоконь П. Н. Инженерная гидравлика потока под ледовым покровом: учеб.для вузов. - М.: Госэнергоиздат, 1940. - 159 с.
2. Звонков В. В. Судовые тяговые расчеты: учеб.для вузов. - М.: Речной транспорт, 1956. - 324 с.
3. Зуев В. А. Средства продления навигации на внутренних водных путях: монография. - Л.: Судостроение, 1986. - 208 с.
4. Корпачев В. П. Теоретические основы водного транспорта леса: монография. - М.: Академия Естествознания, 2009. - 237 с.
5. Худоногов В. Н., Корпачев В. П. Основы моделирования в лесосплавном деле: учеб.пособие для студентов лесоинженерного факультета. - Красноярск: СТИ, 1974. - 18 с.
Введение

Современный уровень развития ледокольной техники позволяет организовать транспортировку лесоматериалов по рекам и водохранилищам в продленный период навигации. Продление навигации может быть обеспечено прокладкой каналов во льду в ранне-весенний и осенний периоды навигации [4; 3].

В связи с этим возникает необходимость аналитического и экспериментального исследования закономерностей движения водного потока, стесненного ледяным покровом при наличии в нем канала, а также стесненного буксируемым плотом.

Цель исследования

Получить зависимость для определения скорости потока, учитывающую влияние ледового канала и стеснения потока буксируемым плотом в условиях продленной навигации. Опытным путем проверить данную формулу и исследовать влияние ширины канала на скорость потока при прочих равных условиях.

Материалы и методы исследования

При образовании ледяного покрова возникает дополнительное сопротивление движению потока вследствие появления дополнительной шероховатости поверхности льда. В общем случае движение потока может быть напорным и безнапорным. Если ледяной покров прочно смерзается с берегами и дном, то возможно напорное движение. Если же во льду прокладывается канал, то речь может идти только лишь о безнапорном движении. Для определения скорости потока в широком русле постоянного сечения под ледяным покровом при наличии в нем канала воспользуемся формулой [4; 5]:

где Н - глубина потока, м;

m - относительная глубина потока (m = Н/В);

В - ширина русла, м;

m' - относительная ширина прорези канала (m' =b/В);

b - ширина прорези канала, м;

I - гидравлический уклон;

ппр, - приведенный коэффициент шероховатости для потока под ледяным покровом.

У. С. Рось [2] на основе сопоставления результатов расчета с данными натурных наблюдений  рекомендует применять формулу Н. Н. Павловского для определения nпр

где nл, nр - коэффициент шероховатости ледяного покрова и русла, соответственно;

χл, χр - смоченный периметр ледяного покрова и русла, соответственно.

Для рек в бытовом состоянии Н. Н. Белоконь [1] рекомендует принимать значения коэффициента шероховатости ледяного покрова, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Значения коэффициента шероховатости ледяного покрова

Период ледостава

Расчетное значение

Первые 10 дней ледостава

10-20-й день после ледостава

20-60-й день после ледостава

60-80-й день после ледостава

80-110-й день после ледостава

0,150-0,050

0,100-0,040

0,050-0,030

0,040-0,015

0,025-0,010

Значение скорости потока в стесненном плотом сечении можно определить по формуле [1]:

где

υ - средняя скорость потока не стесненного плотом, м/с;

n = ω / ¤ - профильный коэффициент;

ω - площадь поперечного сечения потока, м2;

¤ - площадь погруженной части корпуса судна по мидельшпангоуту, м2.

Значение скорости потока в стесненном сечении с учетом влияния ледяного покрова при наличии в нем канала получим, подставив в уравнение (3) υл

Для экспериментальной проверки выведенной формулы (4) необходимо сравнить теоретические показатели υлс с экспериментальными. Опыты проводились в лаборатории кафедры использования водных ресурсов СибГТУ. Канал смоделирован из досок, установленных в лотке на распорки, между доской и стенкой лотка приклеен поролон, для того чтобы сгладить неровности лотка и деревянного канала. Часто за неимением условий для намораживания натурного льда, используются материалы со схожим коэффициентом трения и плотностью, так в данном исследовании в качестве материала, заменяющего лед, использовался полиэтилен высокого давления. Для того что бы коэффициент трения и коэффициент шероховатости канала был максимально приближен к натурному, к внутренней и нижней части деревянного канала были прибиты пластинки из полиэтилена высокого давления. Замеры скорости потока проводились гидрометрической микровертушкой ГМЦМ-1. Общая схема лабораторной установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Опытная установка для определения скорости в ледовом канале:

1 - лоток; 2 - модель канала; 3 - поролон; 4 - полиэтилен высокого давления; 5 - распорки; 6 - гидрометрическая микровертушка ГМЦМ-1

Определим по формуле (4) υлс для следующих лабораторных условий:

  • B, ширина лотка, 1,4 м;
  • H, глубина потока, 0,3 м;
  • b1; b2; b3, ширина канала, соответственно 0,8 м; 1 м; 1,2 м;
  • I, гидравлический уклон, 0,001;
  • nл, коэффициент шероховатости лотка, 0,03;
  • nПВД, коэффициент шероховатости полиэтилена высокого давления, 0,04;
  • Bпл, ширина плота, 0,6 м;
  • Тпл, осадка плота, 0,12 м.

Расчетные значения υлс при b1; b2; b3 приведены в таблице 2

Таблица 2. Расчет υлс при b1; b2; b3

b, м

m

m'

χр, м

χл, м

ппр

ω, м2

¤, м2

n

К2

υлс, м/с

0,8

0,214

0,571

2

0,6

0,032

0,420

0,072

5,833

0,217

0,438

1

0,714

0,4

0,031

0,465

1,2

0,857

0,2

0,030

0,498

Опытные показатели приведены в таблице 3.

Таблица 3. Опытные показатели υлс при b1; b2; b3

b, м

υ (скорость потока в лотке), м/с

υст (скорость потока возле стенок плота), м/с

υдн (скорость потока под плотом), м/с

 

0,8

0,549

0,577

0,272

0,425

1

0,474

0,419

0,447

1,2

0,326

0,640

0,483

Результаты сравнения опытных данных υлсс расчетными представлены на рисунке 2

Рисунок. ­Расчетные и опытные показатели υлс

Выводы

Расхождения опытных и расчетных результатов составили в среднем 3-4 %. Из рисунка 2 видно, что при увеличении канала на 50 % скорость потока увеличилась примерно на 15 %. Так же результаты опытов (таблица 3) показали, что при увеличении канала скорость под плотом увеличилась практически в 2,5 раза, а возле стенок плота скорость потока уменьшилась на 45 %. Полученные расчетные и опытные зависимости  могут быть использованы при определении сопротивления воды движению лесотранспортных единиц и судов в условиях продленной навигации.

Рецензенты:

  • Козинов Георгий Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленного транспорта и строительства ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск.
  • Лозовой Владимир Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии и оборудования лесозаготовок ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск.

Библиографическая ссылка

Злобин А.А. ВЛИЯНИЕ ШИРИНЫ ЛЕДОВОГО КАНАЛА НА ИЗМЕНЕНИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА В УСЛОВИЯХ ПРОДЛЕННОЙ НАВИГАЦИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6563 (дата обращения: 25.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074