RUDN Journal of Engineering ResearchRUDN Journal of Engineering ResearchВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования2312-81432312-8151Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3369410.22363/2312-8143-2022-23-4-322-335ArticlesСтатьиResearch ArticleInterference of swirling flow with longitudinal streamСопряжения закрученного потока с продольным течениемhttps://orcid.org/0000-0002-6900-2704OrekhovGenrikh V.ОреховГенрих Васильевич

Doctor of Engineering Science, Professor of the Hydraulics and Hydraulic Engineering Department

доктор технических наук, профессор кафедры гидравлики и гидротехнического строительства

orehov_genrih@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8075-9487ShchesnyakLeonid E.ЩеснякЛеонид Евгеньевич

Director of the Additive and Edge Technology Center, Institute of Innovative Engineering Technologies

директор центра аддитивных и порубежных технологий, Институт инновационных инженерных технологий

shchesnyak-le@rudn.ruMoscow State University of Civil Engineering (National Research University)Национальный исследовательский Московский государственный строительный университетPeoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)Российский университет дружбы народов31122022234VOL 23, NO4 (2022)ТОМ 23, №4 (2022)32233528022023Copyright ©; 2022, Orekhov G.V., Shchesnyak L.E.Copyright ©; 2022, Орехов Г.В., Щесняк Л.Е.2022Orekhov G.V., Shchesnyak L.E.Орехов Г.В., Щесняк Л.Е.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/legalcodehttps://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/33694

In the practice of designing and operating hydraulic and water management facilities, the issues of flow interference are of paramount importance, since they require close attention to the effect of various currents and jets on the coastal infrastructure of water bodies. A complex flow in the form of a submerged jet, which is formed by the interference of a circulating longitudinal (swirling) flow with a water body having a relative longitudinal flow velocity, was studied. The investigation was carried out using mathematical and physical modeling. To perform laboratory experiments, a test bench with a model for obtaining swirling flow and a longitudinal stream, which was formed in a hydraulic flume, was created. The numerical experiment was carried out using ANSYS (Fluent) software. The fields and velocity distributions of the resulting flow were obtained. The most favourable one in terms of hydrodynamic impact on the coastal infrastructure was chosen. The accuracy of numerical computation is evaluated by comparing with the results of the physical experiment.

В практике проектирования и эксплуатации гидротехнических и водохозяйственных объектов вопросы сопряжения потоков зачастую приобретают первостепенный характер, поскольку требуют внимательного подхода к воздействию на береговую инфраструктуру водных объектов и их сооружений со стороны различного рода течений и струй. Изучено сложное течение в виде затопленной струи, образованной сопряжением циркуляционно-продольного (закрученного) потока с массивом воды, имеющим относительную продольную скорость течения. Исследования проводились посредством математического и физического моделирования. Для выполнения лабораторных экспериментов создан испытательный стенд с моделью для получения циркуляционно-продольного потока и потока с продольной скоростью течения, который формировался в гидравлическом лотке. Численный эксперимент проведен в программном комплексе ANSYS (Fluent). Получены поля и распределения скоростей результирующего течения. Сделан выбор в пользу наиболее благоприятного в плане гидродинамического воздействия на береговую инфраструктуру. Дана оценка точности расчетов численным методом на основе сравнения с результатами физического эксперимента.

simulationcirculating longitudinal flowswirlflow velocitysubmerged jetnumerical experimentмоделированиециркуляционно-продольное течениезавихрительскорость потоказатопленная струячисленный экспериментRasskazov LN, Orekhov VG, Aniskin NA. Hydraulic structures (part 1). Moscow: DIA Publ.; 2008. (In Russ.)Рассказов Л.Н., Орехов В.Г., Анискин Н.А. Гидротехнические сооружения: в 2 ч. Ч. 1. М.: Изд-во АСВ, 2008. 576 с.Slissky SM. Hydraulic calculations of high-pressure hydraulic structures. Moscow: Energoatomizdat Publ.; 1986. (In Russ.)Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений. М.: Энергоатомиздат, 1986, 304 с.Bestuzheva AS. Hydroecology. Part 2. Environmental protection structures of river hydraulic engineering. Moscow: MGSU Publ.; 2017. (In Russ.)Бестужева А.С. Гидроэкология: в 2 ч. Ч. 2. Природоохранные сооружения речной гидротехники. М.: Изд-во МГСУ, 2017. 196 с.Gurev AP, Hanov NV, Volgin NA. The influence of design factors of the stilling basin on the energy dissipation of the. Prirodoobustrojstvo. 2015;(4):48–51. (In Russ.)Гурьев А.П., Ханов Н.В., Волгин Н.А. Влияние конструктивных параметров водобойного колодца на гашение энергии потока // Гидротехническое строительство. 2015. № 4. С. 48-51.Aubakirova FKh. Dissipation of excess flow energy in spillway structures under various conditions of pools conjugation. Prirodoobustrojstvo. 2015;(1):37–41. (In Russ.)Аубакирова Ф.Х. Гашение избыточной энергии потока в водосбросных сооружениях при различных режимах сопряжения бьефов // Природообустройство. 2015. № 1. С. 37-41.Prokofev VA, Sudolskii GA. Hybrid simulation of hydrodynamics of hydroelectric power plant spillway structures. Power Technology and Engineering. 2022;55: 714–719. https://doi.org/10.1007/s10749-022-01421-8Prokofev V.A., Sudolskii G.A. Hybrid simulation of hydrodynamics of hydroelectric power plant spillway structures // Power Technology and Engineering. 2022. Vol. 55. Pp. 714-719. https://doi.org/10.1007/s10749-022-01421-8Sliva IV, Lapin GG. Accident at the spillway structures of the Oroville hydroelectric complex. Hydrotechnical construction. Gidrotehniceskoe Stroitelʹstvo. 2017;(11):44–51. (In Russ.)Слива И.В., Лапин Г.Г. Авария на водосбросных сооружениях гидроузла Оровилл. Гидротехническое строительство // Гидротехническое строительство 2017. № 11. С. 44-51.Volshanik VV, Zuikov AL, Orekhov GV, Churin PS. Idling flow through the turbine unit of a mediumor high-pressure HPP (part 1). Gidrotehniceskoe Stroitelʹstvo. 2013;(4):51–56. (In Russ.)Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Орехов Г.В., Чурин П.С. Пропуск холостых расходов через турбинный блок среднеили высоконапорной ГЭС: в 2 ч. Ч. 1 // Гидротехническое строительство. 2013. № 4. С. 51-56.Volshanik VV, Zuikov AL, Orekhov GV, Churin P.S. Idling flow through the turbine unit of a mediumor high-pressure HPP (part 2). Gidrotehniceskoe Stroitelʹstvo. 2013;(5):32–40. (In Russ.)Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Орехов Г.В., Чурин П.С. Пропуск холостых расходов через турбинный блок среднеили высоконапорной ГЭС (часть 2) // Гидротехническое строительство. 2013. № 5. С. 32-40.Akhmetov VK, Volshanik VV, Zuikov AL, Orekhov GV. Modeling and calculation of counter-vortex flows. Moscow: MGSU Publ.; 2012. (In Russ.)Ахметов В.К., Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Орехов Г.В. Моделирование и расчет контрвихревых течений. М.: Изд-во МГСУ, 2012. 252 с.Bryanskaya YuV, Markova IM, Ostyakova AV. Hydraulics of water and suspended flows in rigid and deformable boundaries. Moscow: ASV Publ.; 2009. (In Russ.)Брянская Ю.В., Маркова И.М., Остякова А.В. Гидравлика водных и взвесенесущих потоков в жестких и деформируемых границах. М.: Изд-во АСВ, 2009. 264 с.Karelin VYa, Krivchenko GI, Mordasov AP, Volshanik VV, Zuikov AL, Akhmetov VK. Physical and mathematical modeling of hydraulic processes in the study of large hydraulic units for complex purposes. Leningrad: B.E. Vedeneev VNIIG Publ.; 1989. (In Russ.)Карелин В.Я., Кривченко Г.И., Мордасов А.П., Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Ахметов В.К. Физическое и математическое моделирование гидравлических процессов при исследовании крупных гидроузлов комплексного назначения. Л.: ВНИИГ, 1989.Zhang W, Liu M, Zhu DZ, Rajaratnam N. Mean and turbulent bubble velocities in free hydraulic jumps for small to intermediate Froude numbers. Journal of Hydraulic Engineering. 2014;140(11):04014055. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000924Zhang W., Liu M., Zhu D. Z., Rajaratnam N. Mean and turbulent bubble velocities in free hydraulic jumps for small to intermediate Froude numbers // Journal of Hydraulic Engineering. 2014. Vol. 140. Issue 11. Article 04014055. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000924Mahzari М, Schleiss А. Dynamic analysis of anchored concrete linings of plunge pools loaded by high velocity jet impacts issuing from dam spillways. Dam Engineering. 2010;20(4):307–327.Mahzari М., Schleiss А. Dynamic analysis of anchored concrete linings of plunge pools loaded by high velocity jet impacts issuing from dam spillways // Dam Engineering. 2010. Vol. 20. Issue 4. Pp. 307-327.Sobin VM, Ershov AI. Investigation of the structure and hydraulic resistance of turbulent swirling flow in short pipes. Bulletin of the Academy of Sciences of the BSSR. Series: Physical and Energy Sciences. 1972;(3):56–61. (In Russ.)Собин В.М., Ершов А.И. Исследование структуры и гидравлического сопротивления турбулентного закрученного потока в коротких трубах // Вестник АН БССР. Серия: Физические и энергетические науки. 1972. № 3. С. 56-61.Sangwha Y. Exact solution of Navier – Stokes equations. International Journal of Advanced Research in Physical Science. 2019;6:39–43.Sangwha Y. Exact solution of Navier - Stokes equations // International Journal of Advanced Research in Physical Science. 2019. Vol. 6. Pp. 39-43.Vellando P, Puertas J, Bonillo J, Fe J. Finite element solution of the Navier – Stokes equations using a SUPG formulation. Advances in Computational Engineering and Sciences. Tech Science Press; 2000 p. 856–861.Vellando P., Puertas J., Bonillo J., Fe J. Finite element solution of the Navier - Stokes equations using a SUPG formulation // Advances in Computational Engineering and Sciences. Tech Science Press, 2000. Pp. 856-861.Alam M, Saha S. Normal stress differences and beyond – Navier – Stokes hydrodynamics. The European Physical Journal Conferences. 2017;140:11014. http://doi.org/10.1051/epjconf/201714011014Alam M., Saha S. Normal stress differences and beyond - Navier - Stokes hydrodynamics // The European Physical Journal Conferences. 2017. Vol. 140. Article 11014. http://doi.org/10.1051/epjconf/20171401101Ramm AG. Solution of the Navier – Stokes problem. Applied Mathematics Letters. 2019;87:160–164. https://doi.org/10.1016/j.aml.2018.07.034Ramm A.G. Solution of the Navier-Stokes problem // Applied Mathematics Letters. 2019. Vol. 87. Pp. 160-164. https://doi.org/10.1016/j.aml.2018.07.034Willis AP. The open pipe flow Navier – Stokes solver. Software X. 2017;6:124–127. https://doi.org/10.1016/j.softx.2017.05.003Willis A.P. The open pipe flow Navier - Stokes solver // Software X. 2017. Vol. 6. Pp. 124-127. https://doi.org/10.1016/j.softx.2017.05.003Westerweel J. Advanced experimental methods for turbulent shear flows. Proceedings of the 6th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena. Seoul; 2009. p. 1003–1009. https://doi.org/10.1615/TSFP6.1600Westerweel J. Advanced experimental methods for turbulent shear flows // Proceedings of the 6th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena. Seoul; 2009. p. 1003-1009. https://doi.org/10.1615/TSFP6.1600Teresa P, Perez JR, Szasz RZ, Rodriguez MA, Castro F. Numerical modelling of flow pattern for high swirling flow. EPJ Web of Conferences. 2015;92:02059. https://doi.org/10.1051/epjconf/20159202059Teresa P., Perez J.R., Szasz R.Z., Rodriguez M.A., Castro F. Numerical modelling of flow pattern for high swirling flow. EPJ Web of Conferences. 2015. Vol. 92. Article 02059. https://doi.org/10.1051/epjconf/20159202059Belov IA, Isaev SA. Modeling of turbulent flows. St. Petersburg; 2001. (In Russ.)Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. СПб., 2001. 108 р.