Menu

Гидродинамические коэффициенты сопротивления при обтекании цилиндрических преград

Q, кН

[image]

Рис. 3.4. Характер изменения равнодействующей Q волнового давления на моноопору за период прохождения волны:

1, 2 - моноопора диаметром 0,168 м при высоте волны 1 и 3 м соответственно; 3 - моноопора диаметром 0,324 м при высоте волны 2 м; Qb1, Qb2 и Qb3 - точки максимумов равнодействующей; ш - круговая частота волны; t - время

Проблема определения коэффициентов сопротивления, особенно скоростного, - одна из сложнейших в гидромеханике. На границе потока с поверхностью обтекаемого тела возникает
пограничный слой жидкости. В некоторых критических точках этот слой срывается с поверхности тела, образуя вихревую зону пониженного давления. От разности давлений на передней по движению волны и задней поверхностях преграды зависит ее сопротивление обтеканию.

В результате многочисленных натурных и лабораторных исследований установлено, что скоростной коэффициент сопротивления полностью определяется положением точек отрыва пограничного слоя на контуре цилиндрического тела. Чем точки отрыва дальше от передней по движению волн направляющей цилиндра, тем меньше вихревая зона, коэффициент скоростного сопротивления и скоростная составляющая волнового давления.

До настоящего времени удовлетворительного теоретического описания процесса вихреобразования и турбулентного вихревого обтекания преград специалистами не предложено. Поэтому основным методом определения коэффициента Cv остается экспериментальный. Вместе с тем исследователями установлена связь между коэффициентом скоростного сопротивления Cv и числом Рейнольдса Re = vD/v, где v - горизонтальная проекция скорости движения жидкости, определяемая по формуле (3.4); v - коэффициент кинематической вязкости жидкости, принимаемый для воды в зависимости от ее температуры по данным табл. 3.3.

Накоплено большое количество результатов экспериментальных исследований, позволяющих установить характер зависимости для цилиндрического тела между коэффициентом Cv и числом Рейнольдса. Однако они получены преимущественно для случая обтекания цилиндра равномерным (не колебательным) потоком, когда точки отрыва пограничного слоя имеют стационарное положение на контуре обтекаемого тела. По данным [33, 45], зависимость коэффициента Cv от числа Рейнольдса при стационарном характере обтекания гладких

Таблица 3.3

Зависимость коэффициента кинематической вязкости воды от ее температуры

т, °с

v, 10 6 м2

 

Т, °С

v, 10 6 м2

0

1,80

 

20

1,01

5

1,52

 

22

0,99

10

1,31

 

24

0,92

15

1,15

 

26

0,88

18

1,06

 

30

0,80

цилиндров следующая: при Re < 2-105 (докритическая зона) Cv = = 1,2 ; при 2105 < Re < 4-105 (критическая зона) Cv линейно уменьшается от 1,2 до 0,3; при 4-10 < Re < 4-10 (закритическая зона) Cv увеличивается от 0,3 до 0,7 и далее практически не меняется (рис. 3.5, кривая 1).

Интенсивное падение значения коэффициента Cv при 2105 < < Re < 4-105 получило название кризиса сопротивления. Это явление обусловлено интенсивным развитием турбулизации ламинарного пограничного слоя и изменением положения точек срыва вихрей, в результате чего существенно изменяются размеры области разряжения позади цилиндра.

Обтекание моноопорного основания морскими течениями может рассматриваться как стационарное. Обтекание моноопорного основания морскими ветровыми волнами не является стационарным в каждый момент времени. Здесь горизонтальная проекция скорости волн непостоянна во времени. Поэтому вихревая зона, возникающая позади моноопоры при ее волновом обтекании, нестабильна. Следовательно, зависимость коэффициента скоростного сопротивления от числа Рейнольдса для колебательного волнового обтекания также будет отличаться от подобной зависимости, полученной для равномерного потока.

Экспериментальные исследования позволили сделать вывод, что кризисная зона для максимальной горизонтальной проекции скорости волны за период ее прохождения при обтекании цилиндра сдвинута влево по сравнению с ее положением соот-

[image]

Рис. 3.5. Зависимость коэффициента скоростного сопротивления лю от числа Рейнольдса Re при обтекании гладкого цилиндра равномерным (1) и волновым (2) потоком

ветствующим обтеканию стационарным потоком1. Для гладких цилиндров при волновом обтекании эта зона начинается при Re « 3-10 и заканчивается при Re « 10 (см. рис. 3.5, кривая 2). В области после кризиса значение коэффициента Cv остается неизменным и составляет 0,7.

Следует отметить, что увеличение шероховатости поверхности приводит к существенному возрастанию коэффициента лобового сопротивления и исчезновению эффекта кризиса сопротивления. Установлено, например, что для свайных конструкций цилиндрической формы, подверженных значительной коррозии и морским обрастаниям, значение Cv практически не зависит от числа Re и составляет 1,2 [33].

В отличие от скоростного коэффициента сопротивления Cv, представление о величине которого базируется исключительно на результатах экспериментальных исследований, значение инерционного коэффициента сопротивления Си для гладкого цилиндра можно установить на основе инженерной теории обтекания преград волнами2. На основе этой теории можно принять Си = 2. Экспериментальные исследования обтекания цилиндра колебательным потоком показали, что при Re > 2-105 коэффициент Си достигает значения 1,8 и далее остается постоянным [51]. Увеличение шероховатости поверхности цилиндра приводит к уменьшению инерционного коэффициента сопротивления.

Скорость движения жидкости при волнении изменяется по величине и направлению не только в течение периода волны, но и по глубине акватории. Следовательно, с глубиной изменяются и значения гидродинамических коэффициентов сопротивления. Тем не менее в инженерной практике расчетов значения коэффициентов Си и Cv и во времени, и по глубине принимают постоянными.

Ввиду орбитального характера движения частиц жидкости при волнении происходит косое обтекание преград (векторы скорости и ускорения не остаются нормальными к оси преграды). Изменение коэффициентов сопротивления, связанное с искажением процесса вихреобразования из-за сдува пограничного слоя жидкости, наблюдающегося при наличии вертикаль-

ных проекций скорости и ускорения жидкости, в инженерных расчетах также не учитывается.

В отечественных нормативных документах и ведомственных инструкциях по определению сил волнового давления на преграды, в том числе в СНиП 2.06.04-82*, рекомендуется принимать Си = 2, Cv = 0,7. Нормативные документы других стран устанавливают несколько отличающиеся значения для этих коэффициентов: норвежское бюро "Веритас" предлагает считать Си = 1,6, Cv = 0,75; АНИ (США) - Си = 1,5, Cv = 0,6; регистр Ллойда (Великобритания) - Си = 1,5, Cv = 0,5.

В заключение обратим внимание на мало освещенный в специальной литературе вопрос зависимости гидродинамических коэффициентов сопротивления от податливости преграды. Если период собственных колебаний преграды близок к периоду волновой нагрузки (резонанс), то относительная скорость обтекания преграды волной мала. По-видимому, в этом случае должна быть мала и скоростная составляющая волновой нагрузки.

Последние исследования в области уточнения значений гидродинамических коэффициентов сопротивления свидетельствуют, что на зависимость этих коэффициентов от числа Рейнольдса при волновом обтекании цилиндрических преград влияет также параметр Кэйлегана - Карпентера NK = 2пА / D, где А - амплитуда вынужденного колебательного движения преграды под действием волновой нагрузки [33]. В зависимости от величины этого параметра несколько изменяются границы областей, где гидродинамические коэффициенты сопротивления обращаются в константы.

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:2433 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:4968 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:2389 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Наши рекомендации

Еще материалы

Структурные элементы складки

Наблюдение и измерение структурных элементов складок при геологическом картировании имеет большое значение. Под структурными элементами складки следует понимать линейные, плоскостные и объёмные формы однотипного строения. Одни из них (полосчатость, сланцеватость...

01-10-2010 Просмотров:6052 Геологическое картирование, структурная геология

Середня квадратична, гранична й відносна…

Для правильного використання результатів вимірів необхідно знати, з якою точністю, тобто з яким ступенем близькості до істинного значення вимірюваної величини, вони отримані. Характеристикою точності окремого виміру в теорії помилок служить...

30-05-2011 Просмотров:3982 Інженерна геодезія

Конструкции перекрытий

Перекрытие жилого здания является конструкцией, воспринимающей нагрузку от массы людей, мебели и оборудования и передающей ее на стены. Перекрытия должны обладать необходимыми прочностными, тепло-техническими (перекрытия чердачные, над подвалами и над...

31-03-2010 Просмотров:12862 Эксплуатация жилых зданий