Все выпуски

Движение влекомых наносов по дну напорного канала может приводить к потере устойчивости донной поверхности, когда на дне канала возникают донные волны. Исследование процесса развития донных волн связано с возможностью определения характера движения влекомых наносов по дну периодической формы. Несмотря на большое внимание многих исследователей к данной проблеме, вопрос о развитии процесса донных волн остается открытым и в настоящее время. В значительной мере это связано с тем, что при анализе данного процесса многие исследователи используют в своих работах феноменологические формулы движения влекомых наносов. Полученные в таких моделях результаты позволяют лишь качественно оценить процесс развития донных волн. По этой причине представляет интерес проведение анализа развития донных волн с использованием аналитической модели движения влекомых наносов.

В работе предложена двумерная профильная математическая русловая модель, позволяющая исследовать движение влекомых наносов над периодическим дном. Особенностью математической модели является возможность расчета расхода влекомых наносов по аналитической модели с реологией Кулона–Прандтля, учитывающей влияние уклонов поверхности дна, придонных нормальных и касательных напряжений на процесс движения донного материала. Показано, что при движении донного материла по дну периодической формы диффузионные и напорные расходы влекомых наносов являются разнонаправленными и доминирующими по отношению к транзитному расходу. Изучались влияния параметра перекошенности донной волны на вклад транзитного, диффузионного и напорного расходов в полный расход влекомых наносов. Выполнено сравнение полученных результатов с численными решениями других авторов для донной поверхности косинусоидальной формы.

The movement of bed load along the closed conduit can lead to a loss of stability of the bed surface, when bed waves arise at the bed of the channel. Investigation of the development of bed waves is associated with the possibility of determining of the bed load nature along the bed of the periodic form. Despite the great attention of many researchers to this problem, the question of the development of bed waves remains open at the present time. This is due to the fact that in the analysis of this process many researchers use phenomenological formulas for sediment transport in their work. The results obtained in such models allow only assess qualitatly the development of bed waves. For this reason, it is of interest to carry out an analysis of the development of bed waves using the analytical model for sediment transport.

The paper proposed two-dimensional profile mathematical riverbed model, which allows to investigate the movement of sediment over a periodic bed. A feature of the mathematical model is the possibility of calculating the bed load transport according to an analytical model with the Coulomb–Prandtl rheology, which takes into account the influence of bottom surface slopes, bed normal and tangential stresses on the movement of bed material. It is shown that when the bed material moves along the bed of periodic form, the diffusion and pressure transport of bed load are multidirectional and dominant with respect to the transit flow. Influence of the effects of changes in wave shape on the contribution of transit, diffusion and pressure transport to the total sediment transport has been studied. Comparison of the received results with numerical solutions of the other authors has shown their good qualitative initiation.

Для математического моделирования несвязного речного дна широко используется уравнение Экснера совместно с феноменологическими моделями транспорта наносов. В случае моделирования эволюции дна простой геометрической формы такой подход позволяет получить точное решение без каких-либо затруднений. Однако в случае моделирования неустойчивого дна сложной геометрической формы в ряде случаев возникает численная неустойчивость, которую сложно отделить от естественной физической неустойчивости.

В настоящей работе выполнен анализпр ичин возникновения численной неустойчивости при моделировании эволюции дна сложной геометрической формы с помощью уравнения Экснера и феноменологических моделей расхода наносов. Показано, что при численном решении уравнения Экснера, замкнутого феноменологической моделью транспорта наносов, могут реализовываться два вида неопределенности. Первая неопределенность возникает при условии транзита наносов над областью дна, где деформаций не происходит. Вторая неопределенность возникает в точках экстремума донного профиля, когда расход наносов меняется, а дно остается неизменным. Авторами выполнено замыкание уравнения Экснера с помощью аналитической модели транспорта наносов, которое позволило преобразовать уравнение Экснера к уравнению параболического типа. Анализполу ченного уравнения показал, что его численное решение не приводит к возникновению вышеуказанных неопределенностей. Параболический вид преобразованного уравнения Экснера позволяет применить для его решения эффективную и устойчивую неявную центрально-разностную схему.

Выполнено решение модельной задачи об эволюции дна при периодическом распределении придонного касательного напряжения. Для численного решения задачи использовалась явная центрально-разностная схема с применением и без применения метода фильтрации и неявная центрально-разностная схема. Показано, что явная центрально-разностная схема теряет устойчивость в области экстремума донного профиля. Использование метода фильтрации привело к повышенной диссипативности решения. Решение с помощью неявной центрально-разностной схемы соответствует закону распределения придонного касательного напряжения и является устойчивым во всей расчетной области.

The Exner equation in conjunction phenomenological sediment transport models is widely used for mathematical modeling non-cohesive river bed. This approach allows to obtain an accurate solution without any difficulty if one models evolution of simple shape bed. However if one models evolution of complex shape bed with unstable soil the numerical instability occurs in some cases. It is difficult to detach this numerical instability from the natural physical instability of bed.

This paper analyses the causes of numerical instability occurring while modeling evolution of complex shape bed by using the Exner equation and phenomenological sediment rate models. The paper shows that two kinds of indeterminateness may occur while solving numerically the Exner equation closed by phenomenological model of sediment transport. The first indeterminateness occurs in the bed area where sediment transport is transit and bed is not changed. The second indeterminateness occurs at the extreme point of bed profile when the sediment rate varies and the bed remains the same. Authors performed the closure of the Exner equation by the analytical sediment transport model, which allowed to transform the Exner equation to parabolic type equation. Analysis of the obtained equation showed that it’s numerical solving does not lead to occurring of the indeterminateness mentioned above. Parabolic form of the transformed Exner equation allows to apply the effective and stable implicit central difference scheme for this equation solving.

The model problem of bed evolution in presence of periodic distribution of the bed shear stress is carried out. The authors used the explicit central difference scheme with and without filtration method application and implicit central difference scheme for numerical solution of the problem. It is shown that the explicit central difference scheme is unstable in the area of the bed profile extremum. Using the filtration method resulted to increased dissipation of the solution. The solution obtained by using the implicit central difference scheme corresponds to the distribution law of bed shear stress and is stable throughout the calculation area.

Работа является теоретическим исследованием процесса развития донной неустойчивости в реках и каналах. На основе аналитической модели расхода влекомых наносов, учитывающей влияние уклонов донной поверхности, придонного давления и касательного напряжения на движение донного материала и аналитического решения, позволяющего определять придонные касательные и нормальные напряжения, возникающие при обтекании турбулентным потоком периодических длинных донных волн малой крутизны, сформулирована и решена задача определения скорости роста амплитуды для растущих донных волн. Полученное решение задачи позволяет определить характерное время роста донной волны, скорость роста донной волны и ее максимальную амплитуду в зависимости от физических и гранулометрических характеристик донного материала и гидравлических параметров водного потока. На примере развития периодической синусоидальной донной волны малой крутизны выполнена верификация решения, полученного для сформулированной задачи. Полученное аналитическое решение задачи позволяет определить скорость роста амплитуды донной волны от текущего значения ее амплитуды. Сравнение полученного решения с экспериментальными данными показало их хорошее качественное и количественное согласование.

The work is a theoretical study of the development of bottom instability in rivers and canals. Based on an analytical model of the load of sediment, taking into account the influence of slopes of the bottom surface, bottom pressure and shear stress on the movement of the bottom material and an analytical solution that allows to determine bottom tangential and normal stresses over the periodic bottom, the problem of determining the amplitude growth rate for growing bottom waves is formulated and solved . The obtained solution of the problem allows us to determine the characteristic time of the growth of the bottom wave, the growth rate of the bottom wave and its maximum amplitude, depending on the physical and particle size characteristics of the bottom material and the hydraulic parameters of the water flow. On the example of the development of a periodic sinusoidal bottom wave of low steepness, the verification of the solution obtained for the formulated problem is carried out. The obtained analytical solution to the problem allows us to determine the growth rate of the amplitude of the bottom wave from the current value of its amplitude. Comparison of the obtained solution with experimental data showed their good qualitative and quantitative agreement.

В работе предложена математическая модель для одномерного неравновесного руслового процесса. Модель учитывает движение наносов во взвешенном и влекомом состоянии. Транспорт влекомых наносов определен с помощью оригинальной формулы, аналитически полученной из уравнения движения тонкого придонного водогрунтового слоя. Данная формула не содержит новых феноменологических параметров и учитывает влияние уклона дна, физико-механических и гранулометрических параметров донного материала на процесс транспорта влекомых наносов. Для верификации предложенной модели был решен ряд классических тестовых задач. Выполнено сравнение результатов численных расчетов с известными экспериментальными данными и результатами других авторов. Показано, что, несмотря на относительную простоту предложенной математической модели, полученные численные решения хорошо согласуются с экспериментальными данными.

In the paper the model for a one-dimensional non-equilibrium riverbed process is proposed. The model takes into account the suspended and bed-load sediment transport. The bed-load transport is determined by using the original formula. This formula was derived from the thin bottom layer motion equation. The formula doesn’t contain new phenomenological parameters and takes into account the influence of bed slope, granulometric and physical mechanical parameters on the bed-load transport. A number of the model test problems are solved for the verification of the proposed mathematical model. The comparison of the calculation results with the established experimental data and the results of other authors is made. It was shown, that the obtained results have a good agreement with the experimental data in spite of the relative simplicity of the proposed mathematical model.