Турбулентная вязкость и гидравлическое сопротивление в приливных устьях рек

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В ходе полевых гидрометрических работ в устьях рек Беломорского бассейна получены данные, касающиеся особенностей динамики реверсивных приливных течений. Среди изученных в 2015–2022 гг. устьевых участков приливных рек наиболее интересные результаты получены в мезоприливном устье р. Кянды, впадающей в Онежский залив Белого моря, и в макроприливном устье р. Сёмжи, впадающей в эстуарий Мезени. Суть используемого метода полевых исследований состояла в синхронном измерении расходов воды акустическими доплеровскими профилографами и уровней воды автономными барометрическими регистраторами в двух поперечных сечениях, находящихся на разном удалении от устьевого створа реки, в течение полного полусуточного приливного цикла. Результаты данных измерений использовались для расчета членов уравнения движения системы Сен-Венана и коэффициентов гидравлического сопротивления. Установлено, что на приливных участках рек гидравлическое сопротивление существенно изменяется в течение приливного цикла. В периоды квазиустановившегося течения воды в обоих направлениях в прилив и отлив значения коэффициента гидравлического сопротивления Дарси–Вейсбаха составляют 0.04–0.07, что свойственно рекам со сходными морфологическими характеристиками русла. Однако в нескольких случаях, в периоды, близкие к смене направления течений, коэффициент гидравлического сопротивления принимал отрицательные значения. Одна из возможных трактовок этого феномена – отрицательная турбулентная вязкость, проявляющаяся в определенные фазы приливного цикла, когда энергия вихревых образований может передаваться поступательному движению водной массы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. М. Алабян

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт водных проблем РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: andrei_alabyan@mail.ru

географический факультет

Россия, 119991, Москва; 119333, Москва

Е. Д. Панченко

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт водных проблем РАН

Email: andrei_alabyan@mail.ru

географический факультет

Россия, 119991, Москва; 119333, Москва

Список литературы

  1. Алабян А.М., Панченко Е.Д. Гидравлическое сопротивление в приливных устьях и феномен “отрицательного трения” в речной гидравлике // Инженерные изыскания. 2017. № 3. С. 24–32.
  2. Алабян А.М., Панченко Е.Д., Алексеева А.А. Особенности динамики вод в приливных устьях малых рек бассейна Белого моря // Вестн. Московского ун-та. Сер. 5, География. 2018. № 4. С. 39–48.
  3. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. Т. 1. Структура потока, М.: Гос. изд-во тех.-теорет. лит., 1954. 324 с.
  4. Высоцкий Л.И. Существуют ли зоны с отрицательной вихревой вязкостью в продольно-однородных турбулентных потоках? // Инженерно-строител. журн. 2013. № 2. С. 48–53.
  5. Высоцкий Л.И., Высоцкий И.С. Продольно-однородные осредненные турбулентные потоки. СПб.: Лань, 2015. 672 с.
  6. Дебольский В.К., Зырянов В.Н., Мордасов М.А. О турбулентном обмене в приливном устье при наличии ледяного покрова // Динамика и термика рек и водохранилищ. М.: Наука, 1984. С. 279–290.
  7. Жмур В.В., Белоненко Т.В., Новоселова Н.В. и др. Вытягивание мезомасштабных вихрей океана в субмезомасштабные вихревые нити как способ передачи энергии по каскаду размеров. Проявление свойств отрицательной турбулентной вязкости при вытягивании вихрей // Моря России: вызовы отечественной науки. Севастополь, 2022. С. 47–48.
  8. Калякин А.М., Чеснокова Е.В., Тесля М.В. Некоторые свойства границы в потоках с отрицательной турбулентной вязкостью // Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса. Саратов: СГТУ, 2010. С. 208–211.
  9. Караушев А.В. Речная гидравлика. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 416 с.
  10. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // ДАН СССР. № 4. 1941. С. 299–303.
  11. Лебедева С.В., Алабян А.М., Крыленко И.Н., Федорова Т.А. Наводнения в устье Северной Двины и их моделирование // Геориск. 2015. № 1. С. 18–25.
  12. Маккавеев В.М. Вопросы структуры осредненного поля скоростей турбулентных водных потоков // Тр. ГГИ. Вып. 22 (76). 1950.
  13. Маслоу С.А. Неустойчивость и переход в сдвиговых течениях // Гидродинамические неустойчивости и переход к турбулентности / Под ред. Х. Суинни, Дж. Голлаба. М.: Мир, 1984. С. 218–270.
  14. Машкович С.А., Вейль И.Г. О влиянии точности данных о горизонтальной структуре тропического циклона на численный прогноз его перемещения // Метеорология и гидрология. 2004. № 9. С. 14–20.
  15. Мискевич И.В., Алабян А.М., Демиденко Н.А. и др. Формирование высокой мутности вод в малых приливных эстуариях Белого и Баренцева морей // Вестн. Московского ун-та. Сер. 5, География. 2022. Т. 4. С. 142–153.
  16. Мискевич И.В., Алабян А.М., Коробов В.Б. и др. Исследования короткопериодной изменчивости гидролого-гидрохимических характеристик устья реки Кянда в Онежском заливе Белого моря (28 июля – 15 августа 2016 г.) // Океанология. 2018. Т. 58. № 3. С. 369–373.
  17. Михайлов В.Н. Динамика потока и русла в неприливных устьях рек. М.: Гидрометеоиздат, 1971. 260 с.
  18. Монин А.С. Предисловие к русскому изданию книги В. Старра “Физика явлений с отрицательной вязкостью”. М.: Мир, 1971. С. 5–8.
  19. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. Ч. 1. М.: Наука, 1965. 640 с.
  20. Обухов А.М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока // Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз. 1941. № 4–5.
  21. Панченко Е.Д. Моделирование проникновения осолоненных вод в устья малых рек бассейна Белого моря // Моря России: исследования береговой и шельфовой зон. Севастополь, 2020. С. 454–456.
  22. Слезкин Н.А. Динамика вязкой жидкости. М.: Гостехиздат, 1955. 512 с.
  23. Старр В. Физика явлений с отрицательной вязкостью. М.: Мир, 1971. 261 с.
  24. Терский П.Н., Панченко Е.Д., Горин С.Л. и др. Исследования зимнего режима устьев рек Белого моря в 2017–2020 гг. // Океанология. 2021. Т. 61. № 6. С. 1006–1008.
  25. Фидман Б.А. Турбулентность водных потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 240 с.
  26. Форхгеймер Ф. Гидравлика. М.; Л.: ОНТИ, 1935. 616 с.
  27. Arakawa H. On the time rate of work done by the eddy stresses in the free air, and the maintenance of westerlies in middle latitudes // J. Meteorol. 1953. 10. № 5. P. 392–393.
  28. Boussinesq J. Theorie de l’ecoulement tourbillomant et tumulteux des liquides dans les lits rectilingnes a grande section. Paris: Gauthier-Villars, 1897. 88 р.
  29. Charney J.G. On the physical basis for numerical prediction of large scale motions in the atmosphere // J. Meteorol. 1949. № 6. P. 371–385.
  30. Lorenz E.N. Interaction between a mean flow and random disturbances // Tellus. 1953. V. 5. № 3. P. 238–250.
  31. McDowell D.M., O’Connor B.A. Hydraulic behavior of estuaries. London: Macmillan Press., 1977. 292 p.
  32. 32.Panchenko E., Alabyan A. Friction factor evaluation in tidal rivers and estuaries // METHODSX. 2022. V. 9. P. 101669. doi: 10.1016/j.mex.2022.101669
  33. Reynolds O. On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the determination of the criterion // Philosophical transactions of the Royal Society. 1884. A. CL 26. 123 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Картосхема объектов исследования – рек Кянды и Сёмжи.

Скачать (284KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема расчета членов уравнения движения.

Скачать (47KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение коэффициента гидравлического сопротивления λ, коэффициента турбулентной вязкости νт, средней скорости течения u и уровней воды в ходе приливного цикла: а – на р. Кянда 04.08.2016; б – на р. Сёмжа 14.08.2018.

Скачать (221KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение средней скорости течения и уровней воды на р. Кянде 04.08.2016: а – в ходе приливного цикла; б – при отливном течении с 11 до 13 ч.

Скачать (195KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Поверхность воды на приливном участке р. Кянды в момент разворота течения.

Скачать (516KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024