Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв
Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению генерации и развития подковообразных и следовых вихрей, которые обусловлены взаимодействием набегающего потока с трехрядным свайным ростверком, установленным на плоскую жесткую поверхность. Для проведения экспериментов разработан и с...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2008
|
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4660 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв / А.В. Воскобiйник, В.А. Воскобiйник, О.А. Воскобойник // Прикладна гідромеханіка. — 2008. — Т. 10, № 3. — С. 28-39. — Бібліогр.: 33 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-4660 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-46602009-12-18T12:00:31Z Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв Воскобiйник, А.В. Воскобiйник, В.А. Воскобойник, О.А. Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению генерации и развития подковообразных и следовых вихрей, которые обусловлены взаимодействием набегающего потока с трехрядным свайным ростверком, установленным на плоскую жесткую поверхность. Для проведения экспериментов разработан и создан измерительный комплекс, система обработки и анализа данных. Изготовлены миниатюрные термисторные датчики скорости и пьезорезистивные датчики скоростного напора. Проведены визуальные измерения структуры вихревого потока в области сопряжения ростверка и плоской пластины посредством красящих веществ и смываемых контрастных покрытий. Измерения скорости переноса вихревых структур вблизи моделей мостовых опор производилось термисторными датчиками, находящимися в корреляционном блоке, что позволило определить не только скорость, но и направление движения крупномасштабных когерентных вихрей в сопряженных течениях. Установлены источники локального и глобального размыва грунта перед групповой опорой. Ими стали подковообразные и следовые вихри, а также боковые течения между цилиндрическими сваями. Интенсивность подковообразных вихрей и касательных напряжений на стенке увеличивается в носовой и кормовой частях трехрядного ростверка. Группирование опор и боковые течения приводят к нарушению периодичности появления вертикальных торнадо подобных следовых вихрей позади обтекаемых конструкций. Наибольшие касательные напряжения наблюдаются перед передними опорами и между первой и второй боковыми опорами трехрядного ростверка. Наведено результати експериментальних дослiджень з вивчення генерацiї та розвитку пiдковоподiбних i слiдових вихорiв, якi обумовленi взаємодiєю потоку, що натiкає, з трирядним пальним ростверком, що встановлено на пласкiй жорсткiй поверхнi. Для проведення дослiдiв розроблено та створено вимiрювальний комплекс, систему обробки та аналiзу даних. Виготовленi мiнiатюрнi термiсторнi датчики швидкостi та п'єзорезистивнi датчики швидкiсного натиску. Проведено вiзуальнi вимiрювання структури вихрового потоку в областi спряження ростверку i пласкої пластини за допомогою фарб та контрастного покриття, що змиваються водою. Вимiрювання швидкостi переносу вихрових структур поблизу моделей мостових опор здiйснювалось термiсторними датчиками, якi знаходились у кореляцiйному блоцi. Це дозволило знайти не тiльки швидкiсть, але й напрямок руху великомасштабних когерентних вихорiв у спряжених течiях. Встановлено джерела локального та глобального розмиву грунту перед груповою опорою. Ними стали пiдковоподiбнi та слiдовi вихори, а також бiчна течiя мiж цилiндричними палями. Iнтенсивнiсть пiдковоподiбних вихорiв i зсувних напруг на стiнцi збiльшується в носовiй та кормовiй частинах трирядного ростверку. Групування опор та бiчнi течiї призводять до порушення перiодичностi появи вертикальних торнадо подiбних слiдових вихорiв позаду обтiчних конструкцiй. Найбiльшi зсувнi напруги спостерiгаються перед переднiми опорами та мiж першою i другою боковими опорами трирядного ростверку. The experimental research results on the study of generation and development of horseshoe and wake vortices, which are conditioned by interaction of stream with the three-row pile grillage, established on a flat rigid surface, are represented in this work. For carrying out of experiments the measuring complex, processing and the analysis data system is developed and created. The miniature thermistor velocity sensors and piezoresistive velocity head sensors are made. Visual measurements of the vortex flow structure are carried out in the junction region of a grillage and a flat plate by means of dye-stuffs and washed off contrast coatings. The convective velocity measurements of vortical structures near to bridge pair models was made by the thermistor sensors which are taking place in the correlation block that has allowed to determine not only velocity, but also a movement direction of the large-scale coherent vortices in the junction flows. Local and global sources of a bed scours before a complex pair are established. That is the horseshoe and wake vortices and also lateral currents between cylindrical piles. Intensity of the horseshoe vortices and wall shear stresses increases in front and rear regions of the three-row grillage. Group piles and lateral currents result in aperiodicity of the vertical tornado-similar wake vortices behind the streamlined constructions. The greatest shear stresses are observed before forward piles and between the first and second lateral piles of the three-row grillage. 2008 Article Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв / А.В. Воскобiйник, В.А. Воскобiйник, О.А. Воскобойник // Прикладна гідромеханіка. — 2008. — Т. 10, № 3. — С. 28-39. — Бібліогр.: 33 назв. — укр. 1561-9087 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4660 532.5 uk Інститут гідромеханіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению генерации и развития подковообразных и следовых вихрей, которые обусловлены взаимодействием набегающего потока с трехрядным свайным ростверком, установленным на плоскую жесткую поверхность. Для проведения экспериментов разработан и создан измерительный комплекс, система обработки и анализа данных. Изготовлены миниатюрные термисторные датчики скорости и пьезорезистивные датчики скоростного напора. Проведены визуальные измерения структуры вихревого потока в области сопряжения ростверка и плоской пластины посредством красящих веществ и смываемых контрастных покрытий. Измерения скорости переноса вихревых структур вблизи моделей мостовых опор производилось термисторными датчиками, находящимися в корреляционном блоке, что позволило определить не только скорость, но и направление движения крупномасштабных когерентных вихрей в сопряженных течениях. Установлены источники локального и глобального размыва грунта перед групповой опорой. Ими стали подковообразные и следовые вихри, а также боковые течения между цилиндрическими сваями. Интенсивность подковообразных вихрей и касательных напряжений на стенке увеличивается в носовой и кормовой частях трехрядного ростверка. Группирование опор и боковые течения приводят к нарушению периодичности появления вертикальных торнадо подобных следовых вихрей позади обтекаемых конструкций. Наибольшие касательные напряжения наблюдаются перед передними опорами и между первой и второй боковыми опорами трехрядного ростверка. |
| format |
Article |
| author |
Воскобiйник, А.В. Воскобiйник, В.А. Воскобойник, О.А. |
| spellingShingle |
Воскобiйник, А.В. Воскобiйник, В.А. Воскобойник, О.А. Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв |
| author_facet |
Воскобiйник, А.В. Воскобiйник, В.А. Воскобойник, О.А. |
| author_sort |
Воскобiйник, А.В. |
| title |
Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв |
| title_short |
Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв |
| title_full |
Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв |
| title_fullStr |
Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв |
| title_full_unstemmed |
Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв |
| title_sort |
спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. частина 1. формування пiдковоподiбних вихорiв |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4660 |
| citation_txt |
Спряжене обтiкання трирядного пального ростверку на пласкiй поверхнi. Частина 1. Формування пiдковоподiбних вихорiв / А.В. Воскобiйник, В.А. Воскобiйник, О.А. Воскобойник // Прикладна гідромеханіка. — 2008. — Т. 10, № 3. — С. 28-39. — Бібліогр.: 33 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT voskobijnikav sprâženeobtikannâtrirâdnogopalʹnogorostverkunaplaskijpoverhničastina1formuvannâpidkovopodibnihvihoriv AT voskobijnikva sprâženeobtikannâtrirâdnogopalʹnogorostverkunaplaskijpoverhničastina1formuvannâpidkovopodibnihvihoriv AT voskobojnikoa sprâženeobtikannâtrirâdnogopalʹnogorostverkunaplaskijpoverhničastina1formuvannâpidkovopodibnihvihoriv |
| first_indexed |
2025-07-02T07:54:08Z |
| last_indexed |
2025-07-02T07:54:08Z |
| _version_ |
1836520936196538368 |
| fulltext |
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
УДК 532.5
СПРЯЖЕНЕ ОБТIКАННЯ ТРИРЯДНОГО ПАЛЬНОГО
РОСТВЕРКУ НА ПЛАСКIЙ ПОВЕРХНI. ЧАСТИНА 1.
ФОРМУВАННЯ ПIДКОВОПОДIБНИХ ВИХОРIВ
А. В. В О СК О БIЙ Н И К, В. А. В ОС К ОБ IЙ Н И К, О. А. В О СК ОБ O Й Н И К
Iнститут гiдромеханiки НАН України, Київ
Отримано 09.04.2008
Наведено результати експериментальних дослiджень з вивчення генерацiї та розвитку пiдковоподiбних i слiдових
вихорiв, якi обумовленi взаємодiєю потоку, що натiкає, з трирядним пальним ростверком, що встановлено на пла-
скiй жорсткiй поверхнi. Для проведення дослiдiв розроблено та створено вимiрювальний комплекс, систему обробки
та аналiзу даних. Виготовленi мiнiатюрнi термiсторнi датчики швидкостi та п’єзорезистивнi датчики швидкiсного
натиску. Проведено вiзуальнi вимiрювання структури вихрового потоку в областi спряження ростверку i пласкої
пластини за допомогою фарб та контрастного покриття, що змиваються водою. Вимiрювання швидкостi переносу
вихрових структур поблизу моделей мостових опор здiйснювалось термiсторними датчиками, якi знаходились у
кореляцiйному блоцi. Це дозволило знайти не тiльки швидкiсть, але й напрямок руху великомасштабних когерен-
тних вихорiв у спряжених течiях. Встановлено джерела локального та глобального розмиву грунту перед груповою
опорою. Ними стали пiдковоподiбнi та слiдовi вихори, а також бiчна течiя мiж цилiндричними палями. Iнтенсив-
нiсть пiдковоподiбних вихорiв i зсувних напруг на стiнцi збiльшується в носовiй та кормовiй частинах трирядного
ростверку. Групування опор та бiчнi течiї призводять до порушення перiодичностi появи вертикальних торнадо по-
дiбних слiдових вихорiв позаду обтiчних конструкцiй. Найбiльшi зсувнi напруги спостерiгаються перед переднiми
опорами та мiж першою i другою боковими опорами трирядного ростверку.
Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению генерации и развития подковообразных и
следовых вихрей, которые обусловлены взаимодействием набегающего потока с трехрядным свайным ростверком,
установленным на плоскую жесткую поверхность. Для проведения экспериментов разработан и создан измеритель-
ный комплекс, система обработки и анализа данных. Изготовлены миниатюрные термисторные датчики скорости
и пьезорезистивные датчики скоростного напора. Проведены визуальные измерения структуры вихревого потока
в области сопряжения ростверка и плоской пластины посредством красящих веществ и смываемых контрастных
покрытий. Измерения скорости переноса вихревых структур вблизи моделей мостовых опор производилось терми-
сторными датчиками, находящимися в корреляционном блоке, что позволило определить не только скорость, но и
направление движения крупномасштабных когерентных вихрей в сопряженных течениях. Установлены источники
локального и глобального размыва грунта перед групповой опорой. Ими стали подковообразные и следовые вихри,
а также боковые течения между цилиндрическими сваями. Интенсивность подковообразных вихрей и касательных
напряжений на стенке увеличивается в носовой и кормовой частях трехрядного ростверка. Группирование опор и бо-
ковые течения приводят к нарушению периодичности появления вертикальных торнадо подобных следовых вихрей
позади обтекаемых конструкций. Наибольшие касательные напряжения наблюдаются перед передними опорами и
между первой и второй боковыми опорами трехрядного ростверка.
The experimental research results on the study of generation and development of horseshoe and wake vortices, which are
conditioned by interaction of stream with the three-row pile grillage, established on a flat rigid surface, are represented in
this work. For carrying out of experiments the measuring complex, processing and the analysis data system is developed and
created. The miniature thermistor velocity sensors and piezoresistive velocity head sensors are made. Visual measurements
of the vortex flow structure are carried out in the junction region of a grillage and a flat plate by means of dye-stuffs and
washed off contrast coatings. The convective velocity measurements of vortical structures near to bridge pair models was
made by the thermistor sensors which are taking place in the correlation block that has allowed to determine not only
velocity, but also a movement direction of the large-scale coherent vortices in the junction flows. Local and global sources
of a bed scours before a complex pair are established. That is the horseshoe and wake vortices and also lateral currents
between cylindrical piles. Intensity of the horseshoe vortices and wall shear stresses increases in front and rear regions of
the three-row grillage. Group piles and lateral currents result in aperiodicity of the vertical tornado-similar wake vortices
behind the streamlined constructions. The greatest shear stresses are observed before forward piles and between the first
and second lateral piles of the three-row grillage.
ВСТУП
Проектування та будiвництво мостових опор
зв’язане, в першу чергу, з урахуванням гiдроди-
намiчних особливостей руслових потокiв, через якi
споруджуються мости, оскiльки надмiрний розмив
грунту поблизу мостових опор нерiдко призводить
до руйнування будiвельних конструкцiй. Це осо-
бливо актуально, коли будуються мостовi опори
складної форми або реалiзується їх групування,
що iстотним чином ускладнює iнженерний розра-
хунок оцiнки умов експлуатацiї мостових перехо-
дiв. Тому в переважнiй бiльшостi випадкiв разом з
математичним моделюванням гiдродинамiки обтi-
кання опор застосовується фiзичне моделювання
руслових потокiв, через якi будуються мостовi пе-
реходи. Не дивлячись на велику кiлькiсть робiт
(див., наприклад, [1-6]), якi сфокусовано, голов-
ним чином, на прогноз розмiрiв отвору розмиву i
максимальної його глибини, чiткого розумiння ме-
ханiзмiв, якi обумовлюють взаємодiю потоку з мо-
28 c© А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник, 2008
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 1. Схема утворення пiдковоподiбної вихрової
системи перед круговим цилiндром та слiдових
вихорiв позаду нього: 1 – отвiр розмиву; 2 –
пiдковоподiбний вихор; 3 – слiдовi вихори
стовою опорою та дном рiчки, ще поки не отрима-
но.
Навколо мостової опори iснує досить широкий
дiапазон масштабiв вихрових структур, якi керу-
ють процесом перенесення грунту. Незалежно вiд
форми опори, одним з основних механiзмiв [7–9],
який управляє формуванням i подальшою еволю-
цiєю отвору розмиву, є поява намистоподiбної ви-
хрової структури зазвичай вiдомої, як пiдковопо-
дiбна система (рис. 1). Так, щоб зрозумiти меха-
нiзм розмиву, в першу чергу, необхiдно якiсно опи-
сати структуру когерентних вихорiв, що форму-
ють пiдковоподiбну систему, в рiзних режимах те-
чiї та кiлькiсно охарактеризувати цей ефект у по-
тоцi та на днi рiчки поблизу основи опори.
Вiдрив примежового шару та формування вiд-
ривної (застiйної) лiнiї на поверхнi дна навко-
ло опори є наслiдком несприятливого градiєнта
тиску, обумовленого наявнiстю обтiчної опори. Цi
повздовжнi несприятливi градiєнти тиску є також
основними чинниками формування намистоподi-
бних вихорiв навколо фронтальної частини осно-
ви опори [10–13]. Пiдковоподiбнi вихори виника-
ють через реорганiзацiю завихреностi примежово-
го шару вниз за потоком вiд вiдривної лiнiї. Пер-
винна пiдковоподiбна вихрова структура має той
же напрямок обертання, що i завихренiсть у при-
межовому шарi. Пiдковоподiбний вихор витягує-
ться навколо опори i охоплює її передню частину
поблизу дна, частково через поперечнi градiєнти
тиску. Отже, бiчнi вихровi лiнiї стають орiєнто-
ваними в повздовжньому напрямку i мають зави-
хренiсть, протилежно направлену по обох бiчних
сторонах обтiчної опори. Основнi намисто подiбнi
вихори переносять бiльш високошвидкiсну рiдину
уздовж фронтальної частини опори у напрямку
до дна, яке звичайно називається спадаючою те-
чiєю. Як результат взаємодiї мiж спадаючою течi-
єю, дном i пiдковоподiбним вихором, опiр навколо
фронтальної частини опори збiльшується. У разi
турбулентної течiї розташування, масштаб i iнтен-
сивнiсть пiдковоподiбних вихорiв сильно змiнює-
ться в часi. Вони генерують високу турбулентнiсть
i пульсацiї тиску та утворюють значнi дотичнi на-
пруги на днi, що призводить до розмиву грунту
поблизу обтiчних опор [8, 9, 14].
Вiдрив властивий як ламiнарному, так i тур-
булентному примежовому шару, через повздов-
жнiй несприятливий градiєнт тиску, але ламiнар-
ний примежовий шар вiдривається значно легше,
нiж турбулентний [15–17]. Оскiльки в першому ви-
падку збiльшення швидкостi з вiдстанню вiд пла-
скої пластини вiдбувається повiльнiше, тому не-
сприятливий градiєнт тиску може легше затри-
мувати поволi рухому рiдину поблизу пласкої по-
верхнi. Турбулентний примежовий шар чинитиме
опiр цьому несприятливому градiєнту тиску на де-
якiй вiдстанi далi вниз за потоком перед вiдривом
i ближче до обтiчної опори. От чому вiдрив потоку
вiд поверхнi дна вiдбувається пiзнiше при вищих
значеннях чисел Рейнольдса. У ламiнарному пото-
цi розмiр пiдковоподiбного вихору i дотичнi напру-
ги на днi ростуть iз збiльшенням числа Рейнольд-
са, але, з iншого боку, спостерiгаються протилежнi
змiни при турбулентному режимi обтiкання [12].
Огляд лiтературних даних [18–20] показує фунда-
ментальнi аспекти течiї навколо погано обтiчних
тiл, зокрема, обтiкання кругового цилiндра. У ро-
ботах [2, 21, 22] зроблено висновок, що структура
пiдковоподiбної вихрової системи сильно органiзо-
вана i перiодична, коли набiгаючий примежовий
шар є ламiнарним. Навпаки, пiдковоподiбна ви-
хрова система має багаточисельний ансамбль ко-
герентних структур рiзних масштабiв у широкому
дiапазонi енергомiстких частот у спектрах пуль-
сацiй швидкостi i тиску, коли набiгаючий потiк є
турбулентним [22, 23].
Для спряженого обтiкання кругового цилiндра
на плоскiй поверхнi лiнiї току в площинi симетрiї
цилiндра i лiнiї дотичних напруг на днi, розрахова-
нi у роботах [24, 25], показанi на рис. 2. Дифундую-
ча поперечна завихренiсть набiгаючого примежо-
вого шару органiзовується в два первиннi вихори
(фокуси F3 i F5), роздiленi внутрiшньою сiдловою
А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник 29
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 2. Топологiчна схема лiнiй току вихрової течiї
навколо кругового цилiндрf та лiнiй зсувних напруг
на обтiчнiй поверхнi пласкої пластини
точкою (S4). Вторинний вихор (F7) вiдривається
вiд поверхнi дна i концентрує завихоренiсть проти-
лежного знаку, що генерується поворотною течiєю
над поверхнею дна. Найбiльш вiддалена особлива
точка на днi (N1′), яка звичайно iменується, як по-
чаток вiдривного шару, що дає зростання первин-
ної вихрової структури, є в даному випадку точ-
кою приєднання. В той же час, друга внутрiшня
сiдлова точка (S2) вiдокремлює рiдину, що посту-
пає у вихрову структуру, вiд рiдини, що спадає
до жорсткої поверхнi. Остаточно, вторинна цир-
куляцiя формується в кутовiй областi спряження
цилiндра i пласкої поверхнi, де напiвсiдлова точка
S9′ роздiляє основну поворотну течiю вiд течiї, що
збирається в напiввузлову точку N10′ .
Топологiчна структура течiї однозначно iден-
тифiкується числом, природою та схемою зв’яз-
ку цих особливостей, оскiльки всi лiнiї току по-
виннi починатися i закiнчуватися в критичних то-
чках, i вони не можуть перетинатися одна з iн-
шою. Додатково до цього, виразнi групи особливо-
Рис. 3. Робоча дiлянка гiдродинамiчного лотка,
експериментальна модель та координатний пристрiй
для пересування датчикiв
стей можуть iдентифiкуватися топологiчною стру-
ктурою течiї. Основна група формується фоку-
сами двох основних вихорiв (F3 та F5), напiвву-
злом N1′ , двома внутрiшнiми сiдловими точками
S2 та S4 i чверть-сiдловою точкою S11′ на верхньо-
му краю цилiндра .Вторинний вихор визначається
типовою комбiнацiєю: напiвсiдловою точкою вiд-
риву S8′ плюс напiвсiдлова точка приєднання S6′
плюс фокус F7. Напiвсiдлова точка приєднання S9′
i напiввузлова точка приєднання N10′ iдентифiку-
ють кутову циркуляцiю.
Використання комплексних або групових опор
при будiвництвi мостових переходiв призводить
до глобального розмиву грунту навколо мостової
конструкцiї в цiлому разом з локальним розми-
вом окремих опор. Глобальний розмив утворю-
ється пiдковоподiбними вихровими структурами,
що охоплюють всю складну мостову опору [26–28].
Механiзм генерацiї та формування таких пiдково-
подiбних вихорiв iдентичний тому, який власти-
вий для одиночних опор, але при обтiканнi ком-
плексних опор присутня взаємодiя мiж вихрови-
ми потоками, що генеруються поблизу кожного
елементу мостової конструкцiї. Вихрова взаємодiя
залежить вiд низки гiдродинамiчних i гiдрологi-
чних параметрiв та iстотно змiнюється вiд форми
i конструкцiї групової опори, що накладає певнi
обмеження на чисельнi та експериментальнi оцiн-
ки особливостей генерацiї та розвитку вихрових
структур поблизу опор i їхньої дiї на прилеглий
грунт [29, 30].
У представленiй роботi передбачається експери-
ментально визначити механiзм генерацiї та розви-
тку вихрових структур, сформованих при спря-
женому обтiканнi моделi мостової опори у вигля-
дi трирядного пального ростверку на пласкiй по-
30 А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 4. Схема трирядного пального ростверку та його розташування на пласкiй пластинi
верхнi. Разом з цим, необхiдно оцiнити особливостi
взаємодiї пiдковоподiбних вихорiв, вiдповiдальних
за формування локального i глобального розмивiв
поблизу групової опори, а також слiдових вихорiв,
якi генеруються позаду мостових опор.
1. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАНОВКА
Експериментальнi дослiдження проводились в
гiдродинамiчному лотку в гiдравлiчнiй лаборато-
рiї Iнституту гiдромеханiки НАН України. Лоток
має довжину приблизно 14 м i перетин 0.8 м на
1 м. Вимiрювальна дiлянка знаходилась на вiдста-
нi 6 м вiд входу лотка. Стiнки гiдродинамiчного
лотка виготовленi iз прозорого товстого скла для
проведення вiзуальних дослiджень (рис. 3). Вода в
лоток подавалась за допомогою насосiв через вiд-
стiйну камеру, дифузор, хонейкомб та решiтки, що
спрямляють i турбулiзують потiк. Скидання во-
ди з гiдродинамiчного лотка здiйснювалось через
щити i заслiнки, якi регулюють рiвень, а також
конфузор i пристрої, котрi направляють потiк та
поглинають його шум. Таким чином, устаткуван-
ня та обладнання гiдродинамiчного лотка дозво-
ляють у широких дiапазонах регулювати швид-
кiсть потоку, його рiвень i ступiнь турбулентно-
стi. Наявнiсть координатних пристосувань, добре
обтiчних пiдтримуючих елементiв та ножiв, дозво-
ляють досить точно, в вiдповiдностi iз розрахун-
ковими значеннями, встановлювати дослiджуванi
моделi, а також вимiрювальнi прилади, iнструмен-
ти та датчики.
Модель трирядного пального ростверку вста-
новлювалась на спецiально виготовленiй пласкiй
пластинi зi змiнними тонкими листами, на яких
була зроблена координатна сiтка. При проведе-
нi вiзуальних дослiдiв на тонкi листи наносився
контрастний шар покриття, який змивався пото-
ком, що натiкав на дослiджувану конструкцiю.
Пласка пластина мала ширину 0.6 м i довжину
2 м. Модель трирядного ростверку розташовува-
лась на вiдстанi 1 м вiд початку пластини, в її
серединному перетинi (рис. 4). Пласка пластина
з моделлю, що дослiджується, встановлювалась
вздовж осi i поблизу дна гiдродинамiчного лотка
на висоту приблизно 70 · 10−3 м (для зменшен-
ня впливу примежового шару над дном i крайо-
вих ефектiв вiд стiнок гiдродинамiчного лотка).
Рiвень води над пластиною з моделлю був при-
близно 0.2 м i швидкiсть потоку регулювалась вiд
0.06 м/с до 0.25 м/с. Вимiри проводились для мо-
делi трирядного палевого ростверку (рис. 5) шири-
ною 0.103 м i довжиною 0.597 м, який складався
iз 31 палi дiаметром 0.027 м, при цьому число Рей-
нольдса: Rex = xU∞/ν = (4.4 − 18.6) · 105 i число
Фруда Fr= U∞/
√
gH = (0.04 − 0.18). Рiвень тур-
булентностi потоку в гiдродинамiчному лотку не
перевищував декiлькох вiдсоткiв.
Оцiнка просторових i часових характеристик ви-
А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник 31
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 5. Конструкцiя трирядного ростверку
хрового руху поблизу дослiджуваних об’єктiв i
ступеня їх взаємодiї з поверхнею, що обтiкається,
проводились пiд час вiзуальних дослiджень. Вiзу-
алiзацiя здiйснювалась за допомогою водорозчин-
них фарб та чорнил, якi вводились в дослiджувану
область потоку через мiнiатюрнi трубки, а також
нанесенням контрастних покриттiв, якi змивались
потоком рiдини, на поверхнi, що обтiкаються.
Кiнематичнi характеристики спряженої течiї ви-
мiрювались за допомогою спецiально розроблених
i виготовлених мiнiатюрних термiсторних датчи-
кiв швидкостi i п’єзорезистивних датчикiв швидкi-
сного натиску. Вiдомо, що при обдуваннi потоком
газу чи рiдини нагрiтого тiла вiдбувається конве-
ктивний теплообмiн i нагрiте тiло охолоджується.
Ступiнь охолодження тiла залежить як вiд тепло-
фiзичних властивостей взаємодiючих середовищ,
так i вiд швидкостi потоку. На принципi тепловiд-
ведення побудована робота термоанемометрiв або
термiсторних датчикiв. В наших дослiдах був ви-
користаний чутливий елемент–термiстор, що за-
стосовується в електронiцi при вимiрах темпера-
тур. Термiстор – це напiвпровiдниковий кристал
дiаметром 0.8 · 10−3 м з двома струмопровiдними
нiжками дiаметром приблизно 0.1 · 10−3 м, якi фi-
ксуються в цилiндричнiй державцi (рис. 6). При
подачi електричного струму кристал нагрiвається,
а при обдуваннi його потоком – охолоджується. В
результатi цього внутрiшнiй опiр термiстора змi-
нюється i може бути зафiксованим. Для цього тер-
мiстор включають у мостову чи напiвмостову схе-
му i по змiнi напруги на вiдповiдних плечах еле-
ктричного мосту фiксують змiну температури, яка
залежить вiд швидкостi обтiкаючого потоку. По-
тiм електричний сигнал пiдсилюють, фiльтрують
i подають на контрольно-вимiрювальну апаратуру
та систему збору експериментальної iнформацiї.
Манометричний датчик швидкiсного натиску
Рис. 6. Термiсторнi датчики осередненої та
пульсацiйної швидкостi
фiксував тиск, який створював потiк при натiкан-
нi на прийомну частину датчика. Датчик був ви-
готовлений за принципами трубки Пiто подвiйно-
го натиску (рис. 7), де в якостi манометра вико-
ристовувався п’єзорезистивний чутливий елемент.
П’єзорезистор було нанесено на п’єзокварцевий
кристал у виглядi дискової мембрани товщиною
1 · 10−6 м i дiаметром 1 · 10−3 м, яка була затисну-
та по периферiї. На цiй мембранi з одного i iншого
боку напилялись радiоелектроннi елементи за мi-
кроелектронної технологiї. В результатi мембрана
пiд тиском згинається i дiє на нанесенi на її по-
верхню радiоелементи, опiр яких змiнювався про-
порцiйно прикладеному навантаженню. Чутливий
елемент датчика включається в мостовий чи на-
пiвмостовий електричний ланцюг. Далi електри-
чний сигнал, пропорцiйний змiнi тиску, i вiдповiд-
но, швидкостi потоку, як i для термiсторного да-
тчика, поступав на пiдсилювач та фiльтри i пода-
вався на контрольно-вимiрювальну апаратуру та
систему збору експериментальної iнформацiї.
Як контрольно-вимiрювальна апаратура ви-
користовувались пiдсилювачi напруги i струму,
октавнi i третинооктавнi фiльтри верхнiх i нижнiх
частот, осцилоскопи, вольтметри пiкових i сере-
дньоквадратичних значень, блоки живлення, аку-
муляторнi батареї, джерела безперебiйного жив-
лення. Електричнi сигнали термiсторних датчи-
кiв швидкостi i п’єзорезистивних датчикiв швидкi-
сного натиску реєструвались на чотирьох каналь-
ний прецизiйний вимiрювальний магнiтофон фiр-
ми Брюль i К’єр.
Картини вiзуалiзацiї фiксувались цифровими
фотокамерами, встановленими в рiзних мiсцях
вимiрювальної дiлянки гiдродинамiчного лотку,
а також цифровими вiдеокамерами, забезпечени-
ми вiдповiдною системою синхронiзацiї вiдеока-
дрiв. Вся апаратура реєстрацiї iнформацiї мала
32 А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 7. Манометричний датчик швидкiсного натиску
необхiднi державки, штативи, кронштейни i ву-
зли крiплення. Контроль вiдзнятого вiдео- та фо-
томатерiалу проводився за допомогою рiдинно-
кристалiчних екранiв, якими обладнано фотоапа-
рати i вiдеокамери. Вiдео- та фотоматерiал пода-
вався на монiтори персональних комп’ютерiв i на
екран телевiзора, якi було встатковано спецiальни-
ми iнтерфейсами i системами електричного зв’яз-
ку.
Зареєстрованi на вимiрювальний магнiтофон
електричнi сигнали вiд термiсторних датчикiв
швидкостi i датчика швидкiсного натиску подава-
лись на аналогово-цифровi перетворювачi, а по-
тiм на персональнi комп’ютери або на спецiалiзо-
ванi двоканальнi комплекси кореляцiйного i спе-
ктрального аналiзу фiрми Брюль i К’єр. Фотогра-
фiї та вiдеозображення з цифрових фотоапаратiв i
вiдеокамер реєструвались за допомогою вiдповiд-
ної апаратури i програмного забезпечення на пер-
сональних комп’ютерах. Обробка i аналiз експери-
ментальних даних здiйснювався за стандартними
i спецiально розробленими програмами та методи-
ками з застосуванням теорiї ймовiрностi, матема-
тичної статистики i теорiї випадкових процесiв.
2. ПРОГРАМА I МЕТОДИКА ДОСЛIДЖЕНЬ
Як вiдомо, течiя поблизу погано обтiчних тiл, а
також тих, що знаходяться одне за одним в слiдi,
є дуже складною вихровою течiєю. Тут формую-
ться великомасштабнi вихровi структури та дрi-
бномасштабнi вихори, якi взаємодiють як мiж со-
бою, так i з поверхнею, що обтiкається. В резуль-
татi виникають складнi, головним чином, неста-
цiонарнi як в просторi, так i в часi поля швид-
костей, тиску, концентрацiй, температур та iнших
скалярних та векторних параметрiв взаємодiючих
середовищ. Вивчення таких процесiв потребує ви-
користання вiдповiдного математичного апарату,
який оперує з тривимiрним простором, а також
потужних i швидкодiючих обчислювальних ком-
плексiв. Вимiрювання кiнематичних i динамiчних
характеристик у такого класу процесах вимагає
використання великої кiлькостi високоточних ма-
логабаритних датчикiв, що мають високi технiко-
економiчнi показники i значну швидкодiю. Датчи-
ки, що використовуються для замiру фiзичних па-
раметрiв, повиннi вносити мiнiмальнi спотворен-
ня вихрових потокiв в областi, що дослiджується
(бажано, щоб вони взагалi не впливали на потiк).
Опрацювання зареєстрованих такими датчиками
сигналiв вимагають використання значних баз да-
них, а також потужного математичного апарату,
головним чином, статистичного, який дозволяє ви-
значити характернi особливостi вихрового руху та
визначити його динамiчнi i кiнематичнi характе-
ристики.
Методика проведення дослiдiв з вивчення вза-
ємодiї спряженої течiї з трирядним палевим ро-
стверком на жорсткiй пласкiй поверхнi проводи-
лась наступним чином. Перш нiж провести iнстру-
ментальнi замiри, робилась вiзуалiзацiя потоку за
допомогою водорозчинних фарб, якi подавалися в
зону дослiджень, i контрастних плiвок згущено-
го молока на поверхнi пластини. Спостереження
за рухом барвникiв та розмивом плiвки, а також
обробка i аналiз картин вiзуалiзацiї з вiдео- та фо-
томатерiалу дали можливiсть зареєструвати зони
найбiльших розмивiв контрастного шару бiля опор
i масштаби та швидкостi переносу та обертання ви-
хрових структур у цих зонах. Потiм в найбiльш
характерних областях вихрового руху у виглядi
пiдковоподiбних та слiдових вихорiв проводились
iнструментальнi дослiдження за допомогою термi-
сторних та п’єзорезистивних датчикiв за спецiаль-
но розробленою програмою.
Наведенi вимоги накладають певнi умови на
розробку програми i методики експериментальних
дослiджень по вивченню кiнематичних характери-
стик вихрового руху поблизу опор мостового пе-
реходу i вплив їх на ступiнь розмиву грунту бiля
опор. Малi геометричнi розмiри моделей мостових
опор, а також швидкостей обтiкання дають пев-
нi обмеження на засоби вимiрювання, що вико-
ристовуються (на їхнi габарити, швидкодiю i чу-
тливiсть). Вимiрювання потокiв з малими швидко-
стями обумовлює великi труднощi, оскiльки тра-
дицiйнi датчики стають для цього непридатни-
ми. Наприклад, мiкровертушки зупиняються че-
рез внутрiшнiй опiр частин, що в них рухаються.
А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник 33
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 8. Розташування кореляцiйного блоку
термiсторних датчикiв швидкостi поблизу
трирядного ростверку
Дротянi та плiвковi термоанемометри або термi-
стори охолоджуються настiльки повiльним пото-
ком, що тепловiдведення практично немає i да-
тчики не можуть реєструвати малi швидкостi. В
датчиках швидкiсного натиску тиск змiнюється
так мало, що немає можливостi зареєструвати йо-
го значення навiть високоточними в наш час еле-
ктронними манометрами. Тому швидкостi, якi не
перевищують 0.1 м/c, застосованi нами термiстор-
ний датчик швидкостi i п’єзорезистивний датчик
швидкiсного натиску реєструють на межi своєї чу-
тливостi, де порушується лiнiйнiсть їхнiх характе-
ристик. Крiм того, термiстор не має спрямовано-
стi при визначеннi швидкостi потоку, який його
охолоджує, i використання такого датчика в скла-
дних вихрових течiях з явною нестацiонарнiстю
стає проблематичним, а в деяких випадках й немо-
жливим. Трубка Пiто, хоч i вiдноситься до класу
направлених датчикiв, має вiдносно великi габари-
ти i вимiрювання за її допомогою нестацiонарних
вихрових потокiв у кутових областях обтiкання i
поблизу опор є нереальним.
У зв’язку з цим нами запропонована методика
використання двох невекторних термiсторних да-
тчикiв у кореляцiйному блоцi. Датчики встанов-
люються в державцi на фiксованiй вiдстанi один
вiд одного (рис. 8). Вимiрюється взаємна кореля-
цiя мiж сигналами, що зареєстрованi двома датчи-
ками. Якщо мiж датчиками сигнал повнiстю не
корельований (лiнiйно не зв’язаний), то коефiцi-
єнт взаємної кореляцiї дорiвнює нулю. Якщо сиг-
нал повнiстю корельований (перешкоди мiж двома
сигналами вiдсутнi), то коефiцiєнт взаємної коре-
ляцiї дорiвнює одиницi. Промiжнi значення коефi-
цiєнта взаємної кореляцiї (мiж 0 та 1) двох випад-
кових сигналiв говорять про ступiнь корельовано-
стi сигналiв на фонi перешкод [31]. Реєстрацiя ча-
су затримки, що досягається з великою точнiстю,
при якому спостерiгається максимум коефiцiєнта
взаємної кореляцiї, дозволяє визначити швидкостi
переносу кореляцiйного сигналу, оскiльки вiдстань
мiж датчиками вiдома. Знак часу затримки дає
можливiсть знайти напрям кореляцiйного сигна-
лу мiж двома прийомними точками в просторi, де
знаходяться чутливi елементи датчикiв.
Згiдно з запропонованою програмою дослiдiв
контроль швидкостi потоку, який обтiкає триря-
дний ростверк, здiйснювався за допомогою датчи-
ка швидкiсного натиску, який був розташований
перед опорами на вiдстанi 1.5 м i на глибинi 0.1 м
вiд поверхнi потоку в гiдродинамiчному лотку. По-
ле швидкостей i масштаби вихрових структур i зон
розмиву контрастного покриття бiля опор триря-
дного ростверку оцiнювались в результатi оброб-
ки та аналiзу вiзуальних дослiдiв. Вiдео- та фото-
матерiали оброблялись на персональних комп’ю-
терах з використанням вiдповiдного програмного
забезпечення. Значення швидкостей вихрової те-
чiї, якi отриманi iз замiрiв термiсторними датчи-
ками, оброблялись на персональних комп’ютерах,
а також на спецiалiзованих кореляцiйних аналiза-
торах. Це дало можливiсть отримати статистичнi
характеристики поля швидкостей в вимiрюваних
областях у виглядi осереднених складових швид-
костi переносу корельованого сигналу, що обумов-
лений дiєю великомасштабних когерентних вихро-
вих структур у спряженiй течiї.
3. МЕТРОЛОГIЧНI ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЗАСОБIВ ВИМIРЮВАННЯ ФIЗИЧНИХ
ВЕЛИЧИН
Всi засоби, якi застосовувались при дослi-
дах, калiбрувались або тестувались за вiдповiд-
ними програмами та методиками. Контрольно-
вимiрювальна апаратура i засоби реєстрацiї та
аналiзу даних вiдповiдали паспортним характери-
34 А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 9. Пiдковоподiбна вихрова система перед
фронтальною частиною мостової опори
стикам та технiчним вимогам до них. Датчики та
вимiрювальнi пристрої, якi були спецiально роз-
робленi та виготовленi для проведення даних до-
слiджень, пройшли атестацiйнi та тестовi випробу-
вання з метою отримання достовiрних результатiв
науково-дослiдних робiт. Калiбрування та тесту-
вання проводились за допомогою абсолютних та
вiдносних методiв на спецiальних стендах i уста-
ткуваннi в лабораторiях Iнституту гiдромеханiки
НАН України i в iнших органiзацiях. В результатi
здобуто метрологiчнi характеристики засобiв ви-
мiрювання як в амплiтудно-частотному, так i фа-
зочастотному представленнях.
Похибка при вимiрюваннях осереднених пока-
зань швидкостi не перевищувала 4% (при досто-
вiрностi 0.95 або 2σ), для пульсацiйних значень по-
хибка була меншою нiж 6%. Кореляцiйнi залежно-
стi отриманi з похибкою до 8% при достовiрностi
0.95. Кiлькiснi параметри поля швидкостей та про-
сторових i часових характеристик вихрових стру-
ктур i зон розмиву контрастних шарiв на поверхнi
пласкої пластини при вiзуалiзацiї були встановленi
з похибкою, яка не перевищувала 10%. Iнструмен-
тальнi данi та результати, якi знайденi при вiзуалi-
зацiї, загалом спiвпадали мiж собою з достатньою
якiсною i кiлькiсною точнiстю.
4. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛIДIВ ТА АНАЛIЗ
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДАНИХ
Результати експериментальних дослiдiв по вiзу-
алiзацiї спряженої течiї навколо трирядного пале-
вого ростверку показали, що перед цилiндричними
опорами формуються пiдковоподiбнi вихровi си-
Рис. 10. Слiдовi вертикальнi вихори позаду кругових
цилiндрiв, якi складають трирядну мостову опору
стеми, якi мають деяку вiдмiннiсть вiд вихорiв,
що мають мiсце при класичному обтiканнi одино-
чних цилiндрiв або їх груп у виглядi повздовжньої
шеренги [27, 32, 33]. При трирядному розташуван-
нi цилiндрiв на пласкiй поверхнi, якi вiдповiдають
конструкцiї ростверкової опори мостового перехо-
ду, що будується на рiчцi Днiпро у Києвi, iнтен-
сивнi пiдковоподiбнi вихровi системи формуються
перед кожним iз обтiчних цилiндрiв, особливо пе-
редньої за потоком групи. Крiм того, перед три-
рядною мостовою опорою зароджується пiдково-
подiбний вихор, який має невисоку iнтенсивнiсть.
Цей вихор охоплює трирядну опору як одну цiлу
конструкцiю. Так, для швидкостi потоку 0.1 м/с i
глибини русла 0.2 м, де дослiджувалося спряжене
обтiкання трирядного ростверку, зона вiдриву по-
граничного шару i мiсце формування цього вели-
комасштабного пiдковоподiбного вихору знаходи-
ться на вiдстанi близько двох дiаметрiв цилiндри-
чної палi (див. рис. 9) вiд першого осьового цилiн-
дру. Ця пiдковоподiбна вихрова структура огинає
передню частину трирядної палевої конструкцiї на
вiдстанi 2d або 0.5 ширини самого трирядного ро-
стверку, а потiм розширюється пiд кутом прибли-
зно 5◦ при пересуваннi вниз за потоком.
Дрiбнiшi за масштабом пiдковоподiбнi вихори
формуються перед кожним iз цилiндрiв, якi скла-
дають дослiдну конструкцiю, i їхня iнтенсивнiсть
зменшується при збiльшеннi вiдстанi вниз за пото-
ком у залежностi вiд розташування окремої палi
у обтiчному ряду. В кормовiй частинi трирядного
ростверку iнтенсивнiсть пiдковоподiбних вихорiв
збiльшується, що обумовлено ростом пористостi
трирядної конструкцiї, а звiдси i зменшенням гi-
дродинамiчного тиску та опору в його кормi. Вза-
А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник 35
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 11. Одночасне зародження пари вертикальних
вихорiв у ближньому слiдi цилiндричної палi
ємодiя пiдковоподiбного вихору, що обтiкає першу
центральну палю в дослiднiй конструкцiї, з пiд-
ковоподiбними вихорами, якi зароджуються при
обтiканнi перших за потоком бiчних паль, приво-
дить до появи iнтенсивної течiї мiж першими та
другими бiчними цилiндрами. Подiбна, але менше
iнтенсивна, спряжена течiя з’являється мiж перед-
останньою i останньою бiчними палями в констру-
кцiї трирядного цилiндричного ростверку.
Позаду обтiчних цилiндрiв виникають торнадо-
подiбнi вертикальнi вихровi системи, якi створю-
ють симетричну дорiжку вихорiв Кармана за пер-
шою центральною палею в трирядному ростверку.
За боковими цилiндрами, особливо там, де з’яв-
ляються бiчнi течiї (про якi вище згадувалося),
симетричнiсть протилежно обертових вертикаль-
них вихорiв суттєво порушується. Наприклад, для
швидкостi потоку 0.075 м/с (рис. 10) один iз лан-
цюжкiв торнадоподiбних вихорiв зароджується на
вiдстанi близько (0.2 – 0.4)d вздовж зовнiшньої
бiчної межi трирядної конструкцiї. Другий лан-
цюжок торнадо подiбних вихорiв, що обертаються
в протилежному напрямку вiдносно перших, за-
роджується в осьовому перетинi бокових цилiн-
дрiв i на вiдстанi приблизно (0.4 – 0.6)d позаду
першого бокового цилiндра. Формування протиле-
жно обертових вертикальних вихорiв загалом спо-
стерiгається перiодично то з одного, то з iншого
боку, але iнодi вiдбувається одночасне зароджен-
ня пари вихорiв, що проiлюстровано на рис. 11.
Частота появи торнадоподiбних вихорiв складає
приблизно 0.5 Гц, що вiдповiдає числу Струхаля
St=fd/U∞ ≈ 0.18.
Як вiдомо, формування i розвиток пiдковоподi-
бних вихорiв, вертикальних торнадоподiбних ви-
Рис. 12. Розмив контрастного покриття перед
передньою групою цилiндричних паль
хорiв позаду обтiчних тiл, а також iснування iн-
тенсивних пристiнних течiй, якi спостерiгаються
мiж групою паль трирядного ростверку, приво-
дить до появи значних зсувних напруг на обтiчнiй
поверхнi поблизу з’єднання паль з пласкою по-
верхнею. Застосування контрастних покриттiв, якi
змиваються потоком, дозволяє зробити оцiнку зна-
чень зсувних напруг, що спостерiгаються на обтi-
чнiй поверхнi. Так, розмив покриття в першу чер-
гу вiдбувається спочатку перед першою бiчною па-
лею (азимутальний кут близько 65◦), а потiм перед
першою центральною палею (азимутальний кут
близько 45◦). З плином часу розмив контрастно-
го покриття спостерiгається навколо фронтальних
частин передньої групи паль i найбiльша область
розмиву з’являється мiж першими i другими боко-
вими палями, де до розмивної дiї пiдковоподiбних
та торнадоподiбних вихорiв долучається бiчна те-
чiя мiж цими палями. На рис. 12 i 13 показано
ступiнь розмиву контрастної речовини на поверх-
нi пластини пiд дiєю спряженої течiї. Мiнiмальний
розмив барвника, а отже мiнiмум зсувних напру-
жень, буде в середнiй частинi трирядного пального
ростверку, що добре проiлюстровано на рис. 13.
Експериментальнi дослiдження поля швидко-
стей проводились згiдно з програмою за допомо-
гою мiнiатюрних термiсторiв, формуючих кореля-
цiйну пару датчикiв, встановлених у вимiрюваль-
них вертикалях поблизу фронтової частини пер-
шої центральної опори i перед другою боковою
опорою. В цих мiсцях спостерiгається максималь-
не вихореутворення, що витiкає iз вiзуальних до-
слiдiв, а також спостерiгається потужний пристiн-
ний вихровий потiк. Вимiрювання середньої гру-
пової швидкостi переносу корельованих сигналiв
36 А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
Рис. 13. Глобальний та локальний розмив барвника
на поверхнi пластини навколо трирядного пального
ростверку
проводились парою термiсторiв, що обтiкаються
вихровим потоком (рис. 8), якi розташовувались
у трьох вертикальних перерiзах з кроком 2 i 5 мм,
а також у п’яти горизонтальних перерiзах з кро-
ком 2 мм. В результатi перед передньою централь-
ною опорою поле швидкостей помiряно в перерiзi
(0.4×0.6)d вiдповiдно в горизонтальному i верти-
кальному напрямку вiдносно площини пластини.
На рис. 14 наведена епюра iзотах або рiвних се-
реднiх швидкостей в осьовому перерiзi мостової
трубчатої опори перед її центральною передньою
палею. Як видно з рисунка, iзотахи становлять со-
бою кривi, що замикаються в виглядi елiпсоїдiв,
якi витягнутi в вертикальнiй площинi. Цi кривi
вiдображають поле швидкостей для вихрової те-
чiї перед цилiндричною опорою в виглядi добре
вiдомого пiдковоподiбного вихору, який обхоплює
цилiндр бiля його пiднiжжя на пласкiй поверхнi.
В проведених вимiрюваннях в осьовому перерiзi
центральної опори дiаметр цього вихору складає
приблизно 9 · 10−3 м або 1/3d при швидкостi об-
тiкання 0.1 м/с, числi Фруда Fr≈ 0.07 i дiаметрi
опори 27 · 10−3 м. Ядро цього вихору знаходиться
в мiсцi розташування близько (0.15 – 0.19)d в на-
прямку осi вiд поверхнi передньої центральної палi
i на вiдстанi бiля (0.11 – 0.15)d вiд жорсткої пласкої
поверхнi. З вiддаленням вiд центру вихору лiнiй-
на швидкiсть зростає i максимум її спостерiгається
поблизу опори на висотi розташування ядра вихо-
ру. Тут напрямок швидкостi спрямовано до обтi-
чної пластини, а її значення складає майже 0.6U∞.
Потiм напрямок руху рiдини поблизу дна змiнює-
ться i стає протилежним напрямку швидкостi. Ця
течiя є основним джерелом розмиву грунту по-
близу опор мостових переходiв i, замикаючись над
Рис. 14. Iзотахи осереднених швидкостей в осьовому
перетинi перед центральною палею трирядного
ростверку
обтiчною поверхнею, вона створює циркуляцiйний
рух. Епюри рiвних пульсацiйних складових швид-
костi мають мiнiмум поблизу мiсця розташування
ядра квазистiйкого пiдковоподiбного вихору. Далi,
при просуваннi до периферiї квазистiйкого вихору,
рiвнi пульсацiй швидкостi зростають. Максимум
пульсацiй швидкостi було виявлено в мiсцi взає-
модiї вихору з потоком, що обтiкає дослiджувану
конструкцiю поблизу центральної передньої палi,
в перерiзi x ≈ (0.26 − 0.30)d i y ≈ (0.15− 0.22)d.
Згiдно з iзотахами середнiх i пульсацiйних
швидкостей в переднiй частинi другої бокової опо-
ри формується вихор масштабом 14 мм на 10 мм
або (0.52 × 0.37)d, вiдповiдно в горизонтальному
(вiсь x) i вертикальному (вiсь y) напрямках. Ядро
цього квазистiйкого пiдковоподiбного вихору, що
омиває другу бокову опору, знаходиться в обла-
стi з координатами x ≈ (0.26 − 0.30)d; y ≈ (0.15 −
−0.19)d i має яйцеподiбну форму, видовжену в го-
ризонтальному напрямку. Бiльш гостра частини
форми вихору знаходиться ближче до кормової
частини першої бокової палi. Значення швидко-
стей в ядрi i на периферiї цього пiдковоподiбного
вихору на (20− 30)% вище, нiж для квазистiйкого
вихору перед першою центральною палею. Поле
пульсацiй швидкостi перед другою боковою палею
також вище як в самому вихорi, так i в сусiднiх з
ним частинах потоку на (15− 20)%. Iнтенсивнiсть
турбулентностi у виглядi
√
u′/U становить 12% i
50% вiдповiдно в ядрi i на периферiї квазистiйкого
вихору перед центральною першою палею, а перед
другою боковою палею – 7% та 29%. Зменшення
А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник 37
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
iнтенсивностi турбулентностi перед другою боко-
вою палею обумовлене значним зростанням осере-
дненої швидкостi вихрової течiї вiдносно пульсацiй
швидкостi.
ВИСНОВКИ
Експериментальнi дослiди з вiзуалiзацiї спряже-
ної течiї та iнструментальних вимiрiв кiнемати-
чних i динамiчних характеристик вихрового пото-
ку, результати яких наведено в данiй публiкацiї,
надали можливiсть зробити наступнi висновки.
1. Перед кожним iз обтiчних цилiндрiв, що скла-
дають трирядну мостову опору, локально форму-
ються iнтенсивнi пiдковоподiбнi вихровi системи,
особливо перед переднiми iз них. Крiм того, пе-
ред трирядною мостовою опорою зароджується ве-
ликомасштабний пiдковоподiбний вихор, який має
невисоку iнтенсивнiсть. Цей вихор охоплює триря-
дну опору як одну цiлу конструкцiю. Великомас-
штабна пiдковоподiбна вихрова структура огинає
передню частину трирядної палевої конструкцiї на
вiдстанi 2d або 0.5 ширини самого трирядного ро-
стверку, а потiм розширюється пiд кутом прибли-
зно 5◦ при пересуваннi вниз за потоком.
2. Встановлено, що iнтенсивнiсть дрiбномасшта-
бних пiдковоподiбних вихорiв, сформованих перед
кожним iз цилiндрiв, зменшується при збiльшеннi
вiдстанi вниз за потоком в залежностi вiд розташу-
вання окремої палi у обтiчному ряду. В кормовiй
частинi трирядного ростверку iнтенсивнiсть пiдко-
воподiбних вихорiв збiльшується, що обумовлено
ростом пористостi трирядної конструкцiї, а звiдси
i зменшенням гiдродинамiчного тиску та опору в
його кормi.
3. Мiж першими та другими бiчними цилiндра-
ми з’являється iнтенсивна течiя, яку викликає вза-
ємодiя пiдковоподiбного вихору, що обтiкає пер-
шу центральну палю, з пiдковоподiбними вихора-
ми, якi зароджуються при обтiканнi перших за по-
током бiчних паль. Подiбна, але менше iнтенсив-
на, спряжена течiя виникає мiж передостанньою
i останньою бiчними палями в конструкцiї триря-
дного цилiндричного ростверку.
4. Знайдено, що позаду обтiчних цилiндрiв ви-
никають торнадоподiбнi вертикальнi вихровi си-
стеми, якi створюють симетричну дорiжку вихо-
рiв Кармана за першою центральною палею в три-
рядному ростверку. За боковими цилiндрами, осо-
бливо там, де з’являються бiчнi течiї, симетри-
чнiсть протилежно обертових вертикальних вихо-
рiв суттєво порушується, а саме iнодi вiдбувається
одночасне зародження пари вихорiв. Частота по-
яви торнадоподiбних вихорiв складає приблизно
0.5 Гц, що вiдповiдає числу Струхаля St≈ 0.18.
5. Встановлено, що розмив контрастного покри-
ття вiдбувається спочатку перед першою бiчною
палею (азимутальний кут близько 65◦), а потiм
перед першою центральною палею (азимутальний
кут близько 45◦). З плином часу розмив покриття
спостерiгається навколо фронтальних частин пе-
редньої групи паль i найбiльша область розмиву
з’являється мiж першими i другими боковими па-
лями, де до розмивної дiї пiдковоподiбних та тор-
надо подiбних вихорiв долучається бiчна течiя мiж
цими палями.
6. Знайдено, що в осьовому перерiзi перед цен-
тральною опорою формується пiдковоподiбний ви-
хор, який має дiаметр приблизно 9 · 10−3 м або
1/3d при швидкостi обтiкання 0.1 м/с, числi Фру-
да Fr≈ 0.07 i дiаметрi опори 27·10−3 м. Ядро цього
вихору знаходиться в мiсцi розташування близько
(0.15 – 0.19)d в напрямку осi вiд поверхнi передньої
центральної палi i на вiдстанi бiля (0.11 – 0.15)d вiд
жорсткої пласкої поверхнi. З вiддаленням вiд цен-
тру вихору лiнiйна швидкiсть зростає i максимум
її спостерiгається поблизу опори на висотi розта-
шування ядра вихору. В переднiй частинi другої
бокової опори формується вихор масштабом 14 мм
на 10 мм або (0.52 × 0.37)d вiдповiдно в горизон-
тальному (вiсь x) i вертикальному (вiсь y) напрям-
ках. Ядро цього квазистiйкого пiдковоподiбного
вихору, що омиває другу бокову опору, знаходи-
ться в областi з координатами x ≈ (0.26− 0.30) d;
y ≈ (0.15− 0.19) d. Вихор має яйцеподiбну форму,
видовжену в горизонтальному напрямку. Значен-
ня швидкостей в ядрi i на периферiї цього пiдко-
воподiбного вихору на (20 − 30)% вище, нiж для
квазистiйкого вихору перед першою центральною
палею.
Автори вдячнi проф., докт. фiз.-матем. наук
В. I. Нiкiшову та ст. наук. спiвр., канд. фiз.-матем.
наук В. О. Горбаню за активну участь при пiдго-
товцi експериментiв та обговореннi результатiв до-
слiдiв i пров. наук спiвр., канд. техн. наук А.П. Ма-
каренкову та зав. сектором О. О. Коту за участь
при проведеннi експериментальних дослiджень.
1. Melville B. W. Pier and abutment scour: Integrated
approach // J. Hydr. Eng.– 1997.– 123, № 2.– P. 125–
136.
2. Kirkil G., Constantinescu S. G., Ettema R. Coherent
structures in the flow field around a circular cylinder
with scour hole // World Water and Environmental
Resources Congress, EWRI.– Alaska.– 2005.– P. 1–
12.
3. Ettema R., Kirkil G., Muste M. Similitude of large-
scale turbulence in experiments on local scour at cyli-
nders // J. Hydr. Res.– 2006.– 132, № 1.– P. 33–40.
38 А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 28 – 39
4. Dargahi B. Controlling mechanism of local scouri-
ng // J. Hydr. Eng.– 1990.– 116, № 10.– P. 1197–
1214.
5. Akilli H., Rockwell D. Vortex formation from a cyli-
nder in shallow water // Phys. Fluids.– 2002.– 14,
№ 11.– P. 2957–2967.
6. Chiew Y.-M. Local scour and riprap stability at bri-
dge piers in a degrading channel // J. Hydr. Eng.–
2004.– 130, № 3.– P. 218–226.
7. Chen G., Du X. D., Wei Q. D. The effects of cylinder
shape on the primary horseshoe vortex of juncture
flow // 9th Symposium on Flow Visualization.–
2000.– № 54.– P. 1–9.
8. Dargahi B. The turbulent flow field around a circular
cylinder // Exp. Fluids.– 1989.– 8.– P. 1–12.
9. Simpson R. L. Junction flows //
Annu. Rev. Fluid Mech.– 2001.– 33.– P. 415–
443.
10. Paik J., Escauriaza C., Sotiropoulos F. On the bi-
modal dynamics of the turbulent horseshoe vortex
system in a wing-body junction // Phys. Fluids.–
2007.– 19, № 4.– P. 045107-1–20.
11. Fu H., Rockwell D. Shallow flow past a cylinder:
transition phenomena at low Reynolds number //
J. Fluid Mech.– 2005.– 540.– P. 75–97.
12. Roulund A., Sumer B. M., Fredsoe J., Michelsen J.
Numerical and experimental investigation of flow and
scour around a circular pile // J. Fluid Mech.– 2005.–
534.– P. 351–401.
13. Bateman A., Fernandez M., Velasco D., Medina V.
Vortices and morphodynamics aspects at bridge pier
scour processes // Geophysical Research Abstracts.–
2005.– 7, № 09854.– P. 1–14.
14. Zhang X., Liu Z., Liang C., Fu Q. Application of
energy approach to estimating scour depth // Nature
and Science.– 2004.– 2, № 2.– P. 77–82.
15. Sahin B., Ozturk N. F., Gurlek C. Horseshoe vortex
studies in the passage of a model plate-fin-and-tube
heat exchanger // Int. J. Heat Fluid Flow.– 2008.–
29.– P. 340–351.
16. Sahin B., Ozturk N. A., Akilli H. Horseshoe vortex
system in the vicinity of the vertical cylinder mounted
on a flat plate // Flow Measur. Instrum.– 2007.– 18,
№ 2.– P. 57–68.
17. Lin Y.-Y., Cheng C.-M., Wu J.-C. Effects of
deck shape and oncoming turbulence on bridge
aerodynamics // J. Science Eng..– 2005.– 8, № 1.–
P. 43–56.
18. Sarpkaya T. A critical review of the intrinsic nature of
vortex induced vibrations // J. Fluids Struct.– 2004.–
18.– P. 389–447.
19. Muzzammil M., Gangadhariah T. The mean
characteristics of horseshoe vortex at a cylindrical pi-
er // J. Hydr. Res.– 2003.– 41, № 3.– P. 285–297.
20. Salaheldin T. M., Imran J., Chaudhry M. H. Numeri-
cal modeling of three-dimensional flow field around
circular piers // J. Hydr. Eng.– 2004.– 130, № 2.–
P. 91–100.
21. Kirkil G., Constantinescu S. G., Ettema R. The
horseshoe vortex system around a circular bridge pier
on a flat bed // XXXI-st Int. Association Hydraulic
Research Congress.– Seoul, Korea.– 2005.– P. 1–10.
22. Constantinescu G., Koken M. Time dependent and
time averaged turbulence structure of flow past a
surface mounted cylinder // Proc. 4-th ICCHMT,
Paris, France.– 2005.– № 139.– P. 1–3.
23. Melville B. W., Chiew Y.-M. Time scale for local
scour at bridge piers // J. Hydr. Eng.– 1999.– 125,
№ 1.– P. 59–65.
24. Ballio F., Franzetti S. Topological analysis of a juncti-
on vortex flow.– Advances in Fluid Mechanics III:
2000, 29.– 255–264 p.
25. Ballio F., Bettoni C., Franzetti S. A survey of time-
averaged characteristics of laminar and turbulent
horseshoe vortices : (Data bank contribution) //
J. Fluids Eng.– 1998.– 120, № 2.– P. 233–242.
26. Coleman S. E. Clearwater local scour at complex pi-
ers // J. Hydr. Eng.– 2005.– 131, № 4.– P. 330–334.
27. Neharia D., Armenio V., Ballio F., Adjlout L. A
3D investigation of the dynamic loads over an array
of in-line cylinders at low KC and Re numbers //
Ocean Eng.– 2004.– 31, № 11-12.– P. 1503–1535.
28. Sumer B. M., Bundgaard K., Fredsoe J. Global and
local scour at pile groups // Int. J. Offshore Polar
Eng.– 2005.– 15, № 3.– P. 204–209.
29. Воскобойник А. А., Воскобойник А. В., Воскобой-
ник В. А., Марченко А. Г., Никишов В. И. Ло-
кальный размыв грунта при взаимодействии мо-
стовых опор, находящихся в следе друг за дру-
гом // Прикл. гiдромех.– 2006.– 8, № 3.– С. 16–26.
30. Wang H. F., Zhou Y., Chan C. K., Lam K. S.
Effect of initial conditions on interaction between
a boundary layer and a wall-mounted finite-length-
cylinder wake // Phys. Fluids.– 2006.– 18, № 6.–
P. 065106-1–12.
31. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ слу-
чайных процессов: Пер. с англ.– М.: Мир, 1974.–
464 с.
32. Ataie-Ashtiani B., Beheshti A. A. Experimental
investigation of clear-water local scour at pile
groups // J. Hydr. Eng.– 2006.– 132, № 10.– P. 1100–
1104.
33. Sheppard D. M., Glasser T. Sediment scour at pi-
ers with complex geometries // Proc. 2nd Int. Conf.
on Scour and Erosion.– World Scientific, Singapore.–
2004.– P. 1–6.
А. В. Воскобiйник, В. А. Воскобiйник, О. А. Воскобойник 39
|