Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности тепло- и массообмена в системе вода-воздух в условиях свободной и вынужденной конвекции при капельной эмиссии

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Особенности тепло- и массообмена в системе вода-воздух в условиях свободной и вынужденной конвекции при капельной эмиссии"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ

На-правах рукописи

СПЕРАНСКАЯ Ольга Александровна

УДК 532.65:532.529.2

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В СИСТЕМЕ ВОДА-ВОЗДУХ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ -И-ВЫНУЖДЕННОЙ_КОНВЕ1ЩИИ ПРИ КАПЕЛЬНОЙ

"эмиссии ---

(04.00.22 — геофизика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1991

Работа ©ьтсышена в Институте волных проблем АН СССР

доктор физико-математических ¡наук Р. С. Бортковский; кандидат физико-математических наук А. А. Грачев.

Ведущая организация — Институт океанологии АН СССР им. П. П. Ширшова.

Защита состоится « » . , . 1991 г.

■в час. ни заседании специализированного совета

•К.003.18.01 института физики атмосферы АН СССР (109017. ¡Москва, Ж-17, Пыжевский переулок, д. 3).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики атмосферы АН СССР.

Автореферат разослан « Эй » . . 1991 г.

Научный руководитель: доктор географических наук Г. Н. Панин.

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь оп еци а дизмр оаа нн ого сов е т а кандидат географических наук

■ - - ------------- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. Работа посвящена изучению особенное -тей тепло- и влагообмена в тонком пограничном слое вода-воз -дух в условиях конвекции при наличии или отсутствии к пель -ной эмиссии.

В настоящее время проблеме микрорзаимодействия в системе гидросфера-атмосфера уделяется повышенное внимание. Выявление механизмов тепло-' и влагопереноса через границу раздела вода-воздух и в непосредственной близости от неё оказалось необходимым для понимания процессов взаимодействия между воздушной и водной средами в целом. Эта проблема имеет ярко выраженную экологическую направленность, так как непосредственно связана ,о прогнозом состояния водных ресурсов на Земле.

Одним из основных механизмов переноса тепла и массы между гидросферой и атмосферой служит конвекция. Наиболее изученным является режим вынужденной конвекции. Значительно менее исследован процесс обмена теплом и влагой между водной и воздушной средами в условиях свободноконвективного движения. Интенсив -ность тепло- и влэгообмена между водой и воздухом зависит также от наличия кэпельно-пузырькового переноса через границу сред. Несмотря на то, что в последние годы изучению процесса возникновения пузырьков и капель в пограничном слое гидросфера - атмосфера, исследованию их характеристик и зависимости последних от внешних условий посвящено большое количество работ, роль напельно-пузырькового механизма в процессах тепло-и влагообмена через границу раздела вода-воздух при свободной и вынужденной конвекции исследована далеко недостаточно.

Представляется целесообразным из об:цей задачи тепло- и влагопереноса между водоёмом и прилегающими слоями воздуха выделить исследование воздействия капельно-пузырькового обмена на тепловые потоки и потоки влаги в тонком пограничном слое вода-воздух в условиях свободной и вынужденной конвекции. ■Причём особое внимание следует обратить на свободноконвентив-ное движение, так как в этой ситуации роль калельно-пузырь -кового механизма в переносе тепла и влаги в пограничном слое вода-воздух до сих пор вообще не исследовалась.

Детальное исследование термической и влажностной структуры тонких пограничных слоёв воды и воздуха в природных условиях в настоящее время не представляется возможным. Отсюда следует обоснованность лабораторного эксперимента как метода изучения закономерностей тепло- и влагообмена между водой и воз- . духом, обладающего такими ценными качествами как воспроизво -димость и возможность исследования влияния отдельных факторов на изучаемый процесс. »

Целью работы послужило исследование механизма тепло- и влагообмена в тонком пограничном слое вода-воздух в условиях свободной и вынужденной конвекции при наличии или отсутствии капельной эмиссии. Работа выполнена методом лабораторного моделирования.

В диссертации ставятся следующие конкретные задачи:

1. Определить числовые константы в законах тепло- и влаго-передачи для условий свободной конвекции в системе вода-воздух при отсутствии пузырьково-капельного переноса.

2. Оценить влияние пузырьково-капельного механизма на по- . токи скрытого и явного тепла на границе вода-воздух при свободной конвекции и интенсивной "искусственной аэрации водной массы.

3. В условиях свободной конвекции исследовать вертикаль -ное распределение температуры и влажности в непосредственной " близости от поверхности испаряющейся аэрированной.воды. Методом замыкания уравнений баланса массы- и тепла выявить' особен- ' ности тепло- и влагопереноса через границу раздела вода-воздух при калельной эмиссии в условиях свободно-конвективного движения.

4. Исследовать влияние капельно-пузырькового механизма на процесс теплопередачи в системе вода-воздух при вынужденной конвекции.

Научная новизна и основные результаты работы.

1. Впервые в условиях свободной конвекции и наличия капельной эмиссии выполнено экспериментальное исследование микроструктуры вертикального распределения температуры и влажности в тонком пограничном слое вода-воздух.

2. Обнаружено и исследовано влияние капельной эмиссии на тепло- и влагообмен между водоёмом и прилегающими .. слоями атмосферы в условиях свободаой.нонвекции. Показано, что над

аэрированной водой существует поток воды в микрокэллях, наличие которого существенно увеличив_ает_пото_к_тепла, направлен-ныЯ из воды в воздух, и вынос воды из водоёма. До настоящего Бремени этот механизм интенсификации тепло- и влагопереноса из воды в воздух в условиях свободной конвекции не рг.осматривался.

3. Впервые показано, что вертикальные пробили температуры над водой в условиях свободной конвекции и наличия капельной эмиссии отличаются от аналогичных профилей над жесткими нагретыми поверхностями и предложено объяснение этого явления.

4. Ка большом и однородном экспериментальном материале одновременно определены числовое константы в законах тепло-

и влагопередз.чи для пограничного слоя вода-воздух в условиях •свободной конвекции при неаэрированной водной массе. Показано, что числовые константы в этих выражениях не зависят от температуры воды и с удовлетворительной точностью могут быть приняты равными 0,14. Определены границы применимости законов тепло- и влагопередачи для пограничного слоя вода-воздух.

5. Выполнено экспериментальное исследование влияния ка-пельно-пузырькового обмена теплопсренос между водой и воздухом при различных ветро-волновых ситуациях.

Научная и практическая ценность.

1. Обнаруженное в условиях свободной конвекции явление значительного возрастания потоков тепла и влаги в пограничном слое вода-воздух в результате выноса микрокапель из аэрированной водной массы расширяет современное представление о процессах тепло- и влагообмена в системе водоём-атмосфера и тлеет прямое отношение к охране водных ресурсов в условиях антропогенного воздействия на природу.

2. Полученные и исследованные в работе вертикальное рэс-яре.иелениа температура и влажности в тонком приводном слое воздуха позволяют подойти к понимание механизма формирования вертикальных профилей этих величин над аэрированной водой в

■условиях свободной конвекции.

3. Уточненное данные о значениях числовых констант в законах тепло- и влагопереноса непосредственно связаны с проблемой паррлетризащги потоков тепла и влаги в системе вода -воздух в условиях свободной конвекции, а следовательно, и с

проблемой математического моделирования теплового и водного, режимов природных водоёмов. '

4. Результаты изучения тепло- и влагообмена между водой и прилегающими слоями воздуха в различных ветротволновых си- ' туациях могут быть использованы при построении общей теории взаимодействия гидросферы и атмосферы.

Апробация результатов.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной научной студенческой конференции в Новосбирске / 1586 /, на конференции учёных МГУ по Проблемам Мирового Океана / 1586 /, на научно-технической конференции "Молодежь и экология Москвы" ' / 1586 /, а также на семинарах института Океанологии ПАН / Со- | пот, 1989 /, ИОАН СССР, лаборатории Влагопереноса и испарения ИБП АН СССР,. кафедры Физики моря и вод суши физического факультета МГУ. и К5А. АН СССР. . ; '

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации состав-. ; ляет /3/ стр., включая список литературы из /<г* названий, £ таблиц и а рисунков.

■ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. ■

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сфор- ■ мулированы цель и Задачи исследования, изложены.основные результаты работы и указана их научная и практическая ценность.

Первая глава состоит из 3-х параграфов и посвящена краткому обзору работ, рассматривающих следующие вопросы: а/ сво-бодноконвективное движение и закон теплопередачи на горизон - ( тальной поверхности; б/ структура теплового пограничного слоя вода-воздух при свободной конвекции; в/ роль капелъно-пузырь-кового механизма в процессах обмена между водоёмом и атмосферой. ;

В § 1.1 дан краткий обзор исследований свободной конвекции, • систематическое наблюдение за которой впервые осуществил Бенар, а первое теоретическое обоснование этим экспериментам дал Рэ -лей, получивший критерий возникновения свободной конвекции число Релея /Л«/. В настоящее время свободная конвекция изучается как экспериментальными, так аналитическими и численными методами. В результате экспериментальных исследований показано,

что поток тепла при турбулентной свободной конвекции пропорционален перепаду температуры в степени 4/3 и не зависит от масштаба длины. Отсюда следует закон теплопередачи: где А - числовая константа, и^/ - число Нуссельта. Аналогичный вид имеет закон массопереноса для турбулентной свободной .гонвекции: ^/г-ЛЬ) гДе ~ число Шервуда,/?«^ - концентрационное число Рэлея. Основываясь на законе теплопередачи для влажного воздуха, Г.С.Голицын и Л.А.Грачев / 1980 / получили выражения для потоков скрытого и явного тепла в воздухе при турбулентной свободной конвекции, в которые входят числовые коэффициенты , определяемые из эксперимента. Однако разброс значений числовых коэффициентов в законах тепло- и массопереноса при свободной конвекции достаточно велик.

§ 1,2 содержит краткий обзор работ по изучению вертикальной структуры теплового пограничного слоя вода-воздух при свободной конвекции. В этом аспекте следует отметить исследования групп Г.Г.Хунддуа, К.Н.Федорова, К,В.На^яагоя% Г.Н.Панина, Ё.П. Анисимовой и А.А.Сперанской, которым принадлежат многочисленные публикации и благодаря работам которых установлено, что в условиях свободной конвекции по обе стороны от границы раздела вода-воздух существуют тонкие слои, характеризующиеся молекулярной теплопроводностью. Профиль температуры в этом участке пограничного слоя линейный: г? Сг) .

На горизонтах, где число Рэлея становится больше критического, т.е. в слое развитой свободной конвекции, профиль температуры пропорционален вертикальной .координате в степени -1/3 и соответствует закону Прандтля - Обухова: ~ 2

Между слоем, где тепло переносится молекулярным механиз -мом и слоем развитой турбулентной . конвекции расположен участок, где ¿~' и вертикальное распределение температуры •форлируется под конкурирующим влиянием сил плавучести и сил вязкости. Вертикальный профиль температуры воздуха здесь сильно изрезан. На осредненных по времени профилях t (2.) в этом ► участке приводного пограничного слоя рядом авторов наблюдалось инверсионное распределение температуры и было предложено нес -колько различных механизмов его образования.

Основываясь на предложенной Я.нкт^каптрёхслойной модели

теплового пограничного слоя при свободной конвекции, А.А.Грачёв для каждой из рассмотренных выше областей этого пограничного слоя представил вертикальный профиль температуры в виде сходя -щихся степенных рядов. Результаты этой работы удовлетворительно согласуются с данными экспериментов, выполненных в условиях свободной конвекции над нагретыми твёрдыми поверхностями, но'не проверены для условий пограничного слоя вода-воздух. Последнее представляет интерес для гидрофизических задач.

В § 1.3 обсуждаются результаты исследований капельно-пу -зырькового обмена в системе вода-воздух. В настоящее время опубликовано несколько сот работ, посвященных, главным образом, исследованию ВОЗНИКНОБеНИЯ ПУЗЫРЬКОВ В ТОЛЩе ВОДЫ 1о.С./3?апс/,а,ю11 и выноса при этом капель воды с поверхности моря /¿.С. />/<>»о.Ал„1, < В последнее время появились работы, относящиеся к изучению эмиссионного тепло- и массопереноса / Р.С.Бортковский;^./^»^*/? /. : Единичные работы,/например, УЧ. ¿(гатзка , ТРг^г&х;-^. И4< / касаются вопроса о "холодном подслое", образующемся под влиянием испаряющихся брызг в приводном слое воздуха над морем. Образование брызговых капель в результате обрушения волн и их испарение в воздухе изучалось также в ХЕХОД . Однако до настоящего времени исследования по вопросам участия капельно-пузырькового механизма в процессах тепло- и влагообмена в системе водоём -атмосфера не получили должного развития.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок, аппаратуры и методик, использовавшихся в работе. :

В § 2.1 описывается установка и аппаратура, применявшиеся в процессе исследования тепло- и влагообмена в тонком пограничном слое вода-воздух при свободной конвекции. Лабораторная установка состояла из теплоизолированного со дна и боков бассейна /450 х 750 х 350 мм /, заполненного водой и оснащенного измерительной аппаратурой.

При измерении температуры воды и воздуха вблизи границы раздела фаз в качестве чувствительного элемента использовались мед-но-константановые термопары 60 мкм / и термисторы МТ - 67

/ <р ~ 100 мкм /. Последние включались в одно из плеч моста по -

стоянного тока с высокостабилизированным питанием, Максимальная чувствительность канала температуры составляла 0,01 °С на мм

шкалы самописца. Мощность, рассеиваемая термистором, не превышала ГмкВт.-Точность установки, датчиков тешературы_на_с}икси-________

рованном горизонте составляла í 0,01 см. Датчики температуры работали также в режиме зондирования из воздуха в воду со скоростью перемещения 0,3 мм/с, при этом фиксировался момент касания датчиком поверхности воды. Температура водной поверхности определялась как точка пересечения линейных участков на профилях температуры в воде и воздухе, наблюдавшихся в непосредственной близости от границы раздела вода-воздух. Использовался также двухканальный ИК - радиометр "Памир", работавший в окне прозрач-. ности атмосферы 8-13 мкм. Температура водной поверхности, измеренная двумя указанными методами, хорошо согласуется / коэффициент корреляции 0,98 /.•

< В приводном слое воздуха с помощью волосного гигрографа проводилась регистрация относительной влажности. Чувствительным элементом гигрографа служил волос длиной 20 мм, измерение линейной деформации последнего осуществлялось с помощью механотрона 6МХ2Б. Запись влажности проводилась на фиксированных горизонтах, < точность установки датчика на которых составляла ± 0,01 см. Постоянная времени гигрографа - 0,2 с, чувствительность - 0,1 % на мм шкалы регистратора. В ходе экспериментов контактным методом измерялся уровень воды в бассейне. Точность измерения уровня составляла 0,001 см. Для измерения числа и диаметра капель в приводном слое воздуха использовался прибор, разработанный в и-те Океанологии Польской Академии наук / ИОПАН /.

Предварительные опыты показали, что поле средней температура и влажности воздуха в слое 0 - 50 мм над водной поверхностью выровнено по горизонтали, что позволило проводить все измерения в одной точке, расположенной в центре установки, не провода дополнительное осреднение по горизонтали. • В § 2.2 дано описание аэрогидроканала длиной 25 м, в котором исследовалось влияние микробрызг на тепло- и влагообмен между водой и воздухом. В процессе экспериментов с помощью двух струнных волнографов, разнесенных по направлению распространения волн, проводились измерения элементов волн. Средняя скорость ветра и её вертикальные профили определялись с помощью трубки Пито и крыльчатого анемометра. Измерения проводились при различ-

ных разгонах и скоростях ветра. С помощью термозовда исследова— лись вертикальные распределения температуры в приводном слое воздуха и приповерхностном слое воды. Температура водной поверхности в аэрогидроканале определялась с помощью радиометра "Памир". Размер брызговых капель и их число регистрировалось на фиксированных горизонтах относительно невозмущенной водной поверхности с помощью прибора ИОПАН.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию тепло- и влагообмена в системе вода-воздух при свободной конвекции.

В § 3.1 на большом статистическом материалу в условиях свободной конвекции и.неаэрованной воды решается вопрос о значении всех трёх числовых констант в параметризационных зависимостях 4(£= Я Дс/3 и Яа^ррк потоков явного и скрытого тепла на

границе вода-воздух. Из проделанной работы по экспериментальному определению потока тепла в воде и потоков скрытого и явного тепла в воздухе, а также анализа вертикальных профилей температуры и влажности в пограничном слое вода-воздух следует вывод, что при свободной конвекции и отсутствии капельной эмиссии потоки тепла, входящие в тепловой баланс на границе вода-воздух, можно с удовлетворительной точностью определять по зависимостям Голицына - Грачева, приняв входящие в них числовые коэффициенты одинаковыми, независящими от температуры воды и равны -ми 0,14. ,

Результаты, изложенные в этом параграфе, получены в экспериментах с хорошо выстоявшейся водой. Бели ад при выполнении опыта вода была хоть в малой степени аэрирована, значения числовых коэффициентов в параметризационных зависимостях заметно возрастали. Возможно, что именно неучёт содержания микрокапель в приводном слое воздуха и объясняет разброс в значениях этих коэффициентов, полученный разными авторами. ■

В этом же разделе работы для условий свободной конвекции при выстоявшейся воде и постоянной влажности в помещении получена зависимость суммарного потока тепла через границу раздела вода-воздух от перепада температуры между средами, без учёта 'трудно определяемой температуры водной поверхности.

В § 3.2 при искусственной аэрации водной массы в бассейне исследуется вопрос о роли пузырьков ^сопутствующих,«« капель в

------ теплообмене при свободной конвекции, изучается их влияние на_________________

трансформацию вертикального профиля температуры вблизи водной поверхности. Показано,, что при искусственной достаточно интенсивной аэрации водной массы в приводном слое воздуха и в приповерхностном слое вода отсутствуют плёнки с молекулярным меха -низмом теплопроводности, профиль температуры в воде и в воздухе у границы раздела сред плоский, а влажность в приводном слое воздуха стопроцентная. Показано также, что вынос микрокапель при пузырьковом газообмене приводит к увеличению вертикального тепло- и влагообмена и значительному росту теплопотерь водоёма.

В § 3.3 представлены результаты исследования вертикального тепло- и влагообмека через границу раздела вода-воздух в условиях свободной конвекции при слабой капельной эмиссии. Замыкание на водной поверхности уравнений баланса массы и тепла позволило впервые выявить ощутимую роль в этих балансах выноса из воды тепла и влаги микробрызгами, образующимися при выделении через поверхность воды содержащейся в ней газовой компоненты. Вода считалась аэрированной, когда поток водяного пара в воздухе, рассчитанный по убыванию уровня воды в бассейне / М =

пРевышал аналогичный поток, определенный по диффузионной формуле: ^ = где у°а и у3*, - плотность воздуха и воды, н^ - коэффициент молекулярной диффузии водяного пара в воздухе, - удельная влажность воздуха , Н - глубина воды в бассейне, г - время.

Коедуктивные потони тепла в воздухе ив воде <2*-

определялись по диффузионным формулам: ^Ат!1/^и

где Дв и - коэффициенты молекулярной теплопроводности

воздуха и воды. Потери тепла на эффективное излучение водной

йоверхности рассчитывались по зависимости:^в1 ) ,

где Т" - абсолютная температура, £ - постоянная Стефана-Волыдеаиа, Ь »0,91.

.Результаты экспериментов приведены в таблице, -из 'которой следует, что поток воды, рассчитанный по изменению уровня воды в бассейне / /V /, может превышать потери воды в результате испарения / Ма / на 30 # и больше. Полученный результат слег

дует объяснить выносом из аэрированной воды массы пузырьков га> зовой компоненты, что сопровождается потоком ыикрокапель. Достоверность этого вывода обосновывается независимыми оценками слагаемых/^ и Л* , входящих в баланс массы:

м = + (I)

где Мп - направленный вверх поток воды в микрокаплях, вылетающих с водной поверхности. Для независимых оценок указанных величин используется система балансовых уравнений:

> Л А. ТГ А. ТГ к 1

% к, к эг и0 и где А, - скрытая теплота испарения, Су» - теплоёмкость воды.' Приведенные в таблице данные позволяют замкнуть баланс по этим двум уравнениям и оценить возникающие при этом невязки. Последние, как это видно из таблицы, невелики. Это говорит о надёжности измерений величин, входящих в уравнения (2) и (3) . Точность оценки величины М„ определяется точностью измерений Ън/ъ£- . Использовавшаяся в работе методика определения последней многократно опробована и является стандартной.

Когда серии экспериментов проводились последовательно и одной и той же водной массой без дополнительной её аэрации и подогрева, поток влаги в микрокаплях постепенно уменьшался / рис. I /. В работе показана зависимость относительного потока воды в микрокаплях от величин Тш и

где - перепад температуры между основной массой воды и её поверхностью,- максимальный перепад температуры а^г для ряда последовательных серий, £ - абсолютная температура воды. Материалы, приведенные на рисунках 2 и 3, свидетельствуют о зависимости потока массы в микробрызгах, образующихся при выделении через поверхность воды газовой компоненты, от основ- . ного параметра конвективного движения, - параметра плавучести.

В параграфе приведены результаты сравнения потоков тепла , <2 и ва , определенные на границе раздела вода-воздух при наличии и отсутствии капельной эмиссии. Резуль -таты таких расчётов показали , V - потери тепла через дно и стенки бассейна.

что с возрастанием потока води в миирокилла'-Г ^ по отноаеки»--------

к суммарному потоку влаги М / М* / кондуктиыше потоки тепла в воде и воздухе и поток тепла.на испарение с водной поверхности могут увеличиваться до двух раз и солее.

' Таким образом, выполненные опыты свидетельствуют, что влияние даже слабой капельной эмиссии на тепло- и влагопотери водоёма в условиях свободной конвекции не просто заметно, а г ель ь<2-лико.

В главе 4 анализируются результаты экспериментального исследования вертикального распределения температуры и влажности ь непосредственной близости от границы раздела вода-воздух при наличии слабой капельной эмиссии.

В 5 4.1 рассматриваются особенности вертикальных профилей температуры, полученных в условиях свободной конвекции над аэ -рированной водой, над выстоявшейся,.водой и-над.водой, покрытой полиэтиленовой плёнкой, исключавшей испарение»:Вертикальные профили температуры представлены в'общепринятых безразмерных 'коор-данатах: „ ¿^ ^ д Ь . }

Где н - температуропроводность, ¿л - температура водной поверхности, - температура воздуха в помещении, й(г) - температура воздуха на горизонте 2 . Такое представление продлен температуры позволило сравнить их с дышыми других авторов, полученными над твёрдыми поверхностями, и расчётной кривой, предложенной А.А.Грачевым, Из экспериментов следует, что в случае, когда полностью исключается испарение, /поверхность воды покрыта полиэтиленовой плёнкой / или нет выноса микрокапель из-.водного объема / /, пробили ¿'(г*) хорошо согласуются с

данными, полученными над твёрдыми поверхностями и с теоретической кривой, А.А.Грачева. Вместе с тем, чем больше поток воды в микрокаплях / / над водной'поверхностью, тем больше от -клонениа-профилей ¿*(г')ъ приводном слое от профилей, полученных над твёрдыми нагретыми поверхностями / рис. 4 /.

. Выполнено сравнение вертикального распределения температуры над слабоаорированной и выстоявшейся водой при прочих равных условиях, т.е. при постоянной температуре и влажности воздуха в помещении и температура воды в бассейне. Показано, что наличие потока воды в микробрызгах приводит к понижению.температуры

!

водной поверхности и выхолаживанию тонкого приводного слоя воздуха / рис. 5 /. Уменьшение теплозапаса приводного слоя воздуха неплохо коррелирует с потоком вода в микробрызгах /рис. б/, , Лопав в приводный слой, ыикробризги испаряются, забирая тепло из воздуха. В результате,на вертикальном профиле ¿(2) вблизи границы раздела водной и воздушной сред формируется холодный . подслой и температура водной поверхности понижается.

В § 4.Я рассматриваются вертикальные профили температуры и влажности в тонком пограничном слое вода-воздух при малых перепадах температуры между средами. Показано, что в воздухе, выше слоя с линейным распределением температуры вертикальные профили температуры сильно изрезаны, характер изрезанное™ зависит от знака и величины перепада Когда температура вода в ус-

тановке несколько вше температура воздуха в помещении, в при -водном слое на профилях , начиная с некоторого горизо-п наблюдаются выбросы в сторону увеличения температуры, типичные для тепловой конвекции. При небольших отрицательных значениях

на(¿х)формируются выбросы, характерные для влажностной кон-' векции. По мере дальнейшего понижения температуры в бассейне из-, резанность профиля постепенно исчезает, градиент температуры в слое молекулярного теплопереноса меняет знак, свободно-конвективное движение прекращается. Показано, что вертикальное рас- , пределение с инверсионными слоями, выявленное методом зондирования дяя поля температур!, характерно и для поля влажности.

В условиях, когда в приводном слое воздуха наблюдается слой со 100 % влажностью, на профиле температуры реализуется локальный максимум, появление которого связано\ по-видимому, с Про -цессом конденсации водяного пара и переходом скрытой теплоты в явную.

На основе , совместного анализа вертикальных профилей температуры и влажности дано качественное объяснение механизма формирования инверсионных слоев на вертикальных профилях температуры и влажности 6 услошях свободно-конвективного движения при докритических значениях числа Ралея, т.е. в буферном слое приводного пограничного слоя.воздуха.

Показано, что для итого слоя характерны поотшодальше функции спектральной плотности пульсацийтемпературы а для горизонтов, где фоновое число Рэлея больше его критического эна-

чения, полимодальность спектров исчезает и чётко просле?.¡¡кается одан~досто"вёрний"максимумг характерный для развитого свободно- _ конвективного движения. Частота этого максимума согласуется с частотой всплывания конвективных образований, рассчитанной по модели ''теплового пробоя" пограничного слоя при разнятой свободной конвекции.

Пятая глава посвящена изучению брызг и их влияния на процесс тепло- и влагообмена моду водой и воздухом в различных ветро-волновых ситуациях. Опыты выполнялись в азрох-пдрокапане при двух ветро-волновых режимах - в условиях сито ветрового и смешанного волнения. Последнее достигалось Яри одновременной работе аэродинамической трубы и волиопродуктора. В обеих ситуациях средняя скорость ветра изменялась от 8 м/с до м/с.

Опрокидываю в гребней волн, капли в приводном слое воздуха и пузырьки в приповерхностном слое воды фиксировались лишь в условиях смешанного волнения, когда крутизна волн была не ниже 0,1.

Число капель в единицу времени , их диаметр с/ и поток врды в каплях ^*аг/>1У -у- ¿г растут с увеличением безразмерного разгона и числа Рейнольда Яе - , где -средняя длина во'Ьны, <¿1 - динамическая скорость ветра, ^ кинематическая вязкость, и падает с удалением от водной погьрх-ности - .

Дашше измерений позволили д|дя двух ветро-волновых ситуаций определить на границе раздела водной и воздушной сред составляющие теплового баланса. Показано, что скорость роста потоков тепла на, границе вода-воздух с увеличением скорости ьет-ра больше в условиях смешанного волнения, т.е. при наличии брызг в приводном слое воздуха.

При постоянном ветро-волновоы и температурном режш.ил отношение потоков явного и скрытого тепла при смешанном волнении к соответствующим потокам при чисто ветровом волнении растут с увеличением потока капель в приводном слое воздуха.

Следовательно, наличие калелыю-пузырькового переноса интенсифицирует процесс тепло- и влагообмена в системе вода -воздух и при ветровом волнении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Методом сведения балансов тепла и влаги на границе вода-воздух обнаружено и исследовано влияние капельной эмиссии на тепло-и влагопотери водоёма в условиях свободной конвекции. Показано, что над аэрированной водой существует поток воды в ыикрокаплях, наличие которого существенно увеличивает поток тепла, направленный из воды в воздух, и вынос воды из водоёма.

2. Показано, что поток воды в микрокаплях в условиях свободной конвекции заметно трансформирует вертикальные профили температуры и влажности в тонком приводном слое воздуха и предложено объяснение этого явления.

3. Определены границы применимости закона теплопередачи Я* для пограничного слоя вода-воздух.

4. В условиях смешанного волнения выполнено экспериментальное исследование брызг в приводном слое воздуха. Показана роль ка-пелыю-пузырыювого обмена в тепло- и влагопереносе между водой и воздухом в различных ветро-волновых ситуациях.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУКЩЕ РАБОТЫ.

1.Сперанская O.A. 1986. К вопросу о взаимодействии водоёма о прилегающими слоями атмосферы. Тезисы докладов научно-технической конференции "Молодежь и экология Москвы". М., с.87-89.

2. Анисимоваь.П., Сперанская A.A. .Сперанская O.A. .Шигаев В.В. I&87. О сформировании конвективного движения в приводном слое воздуха. Водные ресурсы. PI, с. 47-51.

3.Анисимова К.П., Петренко И,В., Сперанская O.A. 2989. О механизме становления конвективного движения в системе вода-воздух. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы". М., с. 78.

4.Анисимова Е.П., Казанский А.Е., Сперанская A.A., Сперанская 0. O.A. It90. Тепловой баланс на поверхности испаряющейся аэрированной воды. Сб. Геофизические исследования. Препринт физич.

с.-та МГУ, Г? 9/1У50, с. 20-25. б.Анисимова Е.П., Сперанская O.A. и др. 1990. О механизме становления конвективного движения на границе раздела вода-воздух / модельные исследования /. Депонир. ВЙНИШ, № I235-B 90. 13 с.

6.Анненкова Е.П., Панин Г.Н., Сперанская O.A. и др. Тепло- и влагообмен в системэ вода-воздух при наличии брызг в приводном слое. 1<ЛЮ. Водные ресурсы !Р .

—ч70 ■сз lo ci V3 -H Ci ■4- <-M '-n to Ci c¿ Ci -V- ívi <XI n «"vi Сз 'Г, сч v s 'ô ça ci) CT, c\l •4- Ci Vo 0 Q < i

за * Сз Tl «S" Ö t N. CS fo C> Ci NO 'ri « Cï'. ■Сз" 1 N. «У Q3 «'S <Сз" Q> Лз N. Ví3 'Ai Сз 1 4) Ci <i ÑJ Г Сз >Гз Сз" 1

'o <>3 43 N. <M CVJ ЙЗ О} si Ti N. <iO <SN VD N_' C> ^ CX) fv CM 'о U-з' Оо '-о' '-о '■П tí-1 !гз T-l г.-. л-з '<"3 '-CS 4- CVJ 'NS Oa 4- c\i Ci !r> Сз

Sri V ç <5. *—" 1 Cl Cl tr> c\l \o Q» 1 « -í- a Сз V) in >* ! C5. t Q c-< ЧЪ" t Сз m » 0 1 Ci "N 0 1 Сз Q «1 i Ci N. 1

** * OQ NO 4) N. ЧЭ 'M tí »> Ci Q in N. 00' Rî fv: c. N: <M 00 <M -4-'•ci О <s> -a-. N. >0 tn M cr> «3 fo NK Ci ю саз 4-

4. '7<j s ».?, Сз CM Vi" N «Ni 2! (V OQ (4. (v.- Q (V -b гл 0Q f». гч. CM Vi V3 Оо 'o, '■O 4-to in -Ь íri 40 »3 Cl C\J '<3" 4—, •4- Ci С5з •n, vS

То Щ \ Q <•41 «M О CQ tv 'Cl ч Сз' N.. Q> «i Q 4> tv: 4- fo ^ O 43 Чз' \о '-гз Í; Чи' Ni" tri Ч> + Сз ч N; v. ni — tv/ N. Сз^ ^ N..

w à «ç CQ fo c\i 4-'n '■n Ci on" f<-> J- tv tn 4- Сз Ю CM No vj fM N. •J- 43 'M <\l ОГЗ 'о '' О tv: fn tv 43 tv Vu 'r> чъ Ч) V"3 Ci ^ -M V3 N. 4- Vi J. ÍX3

f fh t Gr од ¡S '■o m N. lr> tv M <\l '-<N t.) M ■■M '■o 03 4) 4% % ÏÔ V) 'Ai Of3 CTÑ VJ Iii <"V1 M «3 in V, C5-1 ь in 4~ V3 Ñ3N rM C3 Í '.) N"3 4i ь

Q? <30 tn ci J--Ü 4" co ON 43 43 00 IV 4} o<3 4-NI CIO «o J- 'JO 00 tv i" •л «К lo ^ см N. 'o ^ >31 S <M ON N Гч V.I ÛQ fn к 4- tV3 4 <3,; Ni К Сз

43 lo OQ Ьг, Ni (VN Vo 4) w '-o '-n 0a Qs <i> tv Чо о Ча ЧО Сю <?3 <0- N. Чй V3 W-3 4N si Ci О

Ь <\l О СГ ю Q m <5> tO O CS' be, ça Ci fo «4 CM (4 N. СЪ Cä Cl <0 C5 Cj" to Сз Сз N. Оз С) Ci" КЧ Ci N.-c\i Оз N,-CV) 4i' сч)

c\j m С\з 00 •Ci 03 VO ç> v£3 'M fí NO" <M s 4Í ^ ^ 43 0 4)" О Сз VQ Q сл <N 0 4- «M Q Сз -ъ см О Ci J-c\l 00 CM Ç.3 Ci ' 1 О 04 Ni CM Cj c-M r<3 "M 'о 4-CM

§ сз «К "N 's n_ ■Л1 0 fn OQ C\J C> 04 ГС -4-N. 00 fv. <5з N. «M х> <М <5. -ь О 00 CNJ Ci ^N Nb <\J О vt- CS ^ СЗО Ci fn О Чо 4-<M te fT»' CVI Ci <\l

nnJtj >4 ГО "4* 4o N. 00 <г> N. bo ->- vo V. tv .XI

О/ ! М

Рис. I. Скотюсть зьшоса

/» — воды в микрокаплях в за-

нисииости от времени выс-" таивания воды в установ-

ке для серий 1-3 / • /. 4-6 /* /. 7-е / о / и я, 10-12 /+ /.

?ус. 2. Зависимость относительного потока воды В КККСОКОПЛЯС / /

от величины

На.

и

¡^ае-./О*

7:

Рис- 3. Зависимость от- ' носительного потока волы в микрокаплях / /

от величины д^у^д^

•г*.

5.0 • I Рис. 4. Вертикальные поо-

+1 • ( или тадте^туи: всзхуха //"а с-оз'/ях СБО-

* I боднок конвгкют: наг. сэри-

* ровекной ВОДО!. /•; О; 4 /. 1 * • над Екстоявшеяся водой

А; * / к над водок, пое-

1 рытой полиэтиленовой пяён-

» . кой I г - л. /. Пунктирная

5 ксивая - по А.а.Грачеву.

«+! • ----------

I •

Д 0\- ^

Л • - *

»1 ■

ч

** V- . 4 ■ -

*ч 1

* •

*

а|4 * т ** | —цт

«л 6А Ч& в»

9,0.

Лю. 5. Срппнение вортшншышх профилей темпсратури" - ■

1^(2)1 и И| 1ПЮДН0М

. слое воздо.а над

аэрироьгшноН /-----/

и не аэрированной

/---- / ЬОпОЙ

в услоьилх сво0од-ной конвекции.

Рис. 6, Связь изменения теплоэапаса приводного слоя воз,пуха л 3 .¿гащ] о безразмерным потоком воды и микрокаплях м*/п.

Снимок в отраз;енном свете выноса микрокапель ' воды при охлопывании пузырьков, воздуха на водной поверхности / а •» 10 °С /. На фо-. тограг)ии вблизи водной поверхности видна видена водная аэрозоль.