Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Термодинамические и радиолокационные свойства поверхностей обледенения

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Термодинамические и радиолокационные свойства поверхностей обледенения"



«О I.

Министерство науки, высшей школы и технической политики России

/Х/ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КАРЕВ Анатолий Ристов

УДК 551.(467.4 + 578.7)

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЛЕДЕНЕНИЯ

Специальность 11.00.09—Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом институте.

Научный руководитель — заслуженный деятель пауки и техники России, доктор физико-математических наук, профессор Л. Г. Качурин.

Научные оппоненты — заслуженный деятель науки России, доктор физико-математических наук, профессор Л. Т. Матвеев; доктор физико-математических наук Р. С. Бортковский.

Ведущая организация — Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.

Защита состоится февраля 1993 года в часов

на заседании специализированного совета ^.063.19.й£. Российского государственного гидрометеорологического института.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98. Российский государственный гидрометеорологический институт.

Автореферат разослан « /О» £ 1993 года.

Ученый секретарь

специализированного совета, доктор физико-математических наук, профессор А. С. Гаврилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛБОТи

Актуальность работы.| Термодинамические и радиолокационные свойства поверхностей обледенения определяет интенсивность ряда опаснмх природных явлений б окружающей среде к возможность их своевременного распознавания. Токио явления, связеч-кые о термодинамически необратимыми фазовыми переходами "вода-лёд", имеют мосто в авиации, судоходстве в холодном период года, при эксплуатации крупных гидротехнических сооружений, в тон числе нефте-бурилышх платформ, в сельском хозяйства и др.

Своевременное предупреждение об ожидаемой интенсивности ■обледенения морского судна, нефтяного терминала и др. на основе прогнозируемых .гидрометеорологических условий в окружающей среде яеляйтся одним из способов борьбы с этим опасным явлением. С учетом слокности объекта обледенения, представляется перспективным расчет обледенения тел удобообтекаемых г{орм, например шлигдра, о дальнейшей корреляцией этой величины с натурными данными.

Проверка развитых в ЛГИ"! моделей обледенения з природных условиях России и Канады п'окаэала, что при всех их преимуществах, они требуют в некоторых случаях уточнения (например, роль солености морской води при прогноз"! обледенения судов). Появившиеся новые экспериментальные и теоретические исследования в России и за рубежом позволила уточнить целый ряд параметров в теории обледенения.

Применительно к градообразовшв-п развитая теория обледенения позволяет построить модель г-счетп рэдколокаикспноп отражаемости ппсзмСля градин с учетом реальной структуры поверхности раооеятолеи. Споес5и разделения рездкол с пл-шке.!

или без пленки на поверхности обледенения с помощью уравнения баланса тепла на .этой поверхности баз учета -кинетики процесса

и гидродинамики.течения пленки не яеляются приемлемыми;

Цель работы. На базе теории обледенения (ЛОТ, 1980 г.)■ ■ построить уточненную теоретическую модель обледения с учетом реальной теплоотдачи в аэрозольных потоках, разделения режимов обледения и срыва переохлазденной воды. Исследовать условия устойчивости водяной пленки на поверхности обледения сложной формы,1 Использовать результаты применительно к процессу градо-образования для исследования возможности более точного радиолокационного распознавания и селектирования градоопасных обла-* ков на длине волны 10 см.

1/отодкка исследований. Выполнены теоретически исследования с использованием обобщенных экспериментальных зависимостей (лабораторных и полученных в естествешщх условиях).

Научная новизна работы. Наиболее существенные научные результаты сводятся к следующему - получена уточненная модель'. обледения поверхности слоиной формы;

- получен комплекс критериев устойчивости переохладценной во-' дяной пленки на поверхности обледения; -

- исследована связь секундной массы потока традин (К), являющейся индикатором градоопасности кучево-додцевого о блага

с максимальной радиолокационной отражаемостью (РлО) этого облака;

Практическая значимость работы. Развитая модель обледенения может быть использована при уточнении методики прогноза (пли диагноза) интенсивности обледения морских надьошшх судов и- подводных лоцок при всплытии, а та^.'.э гидрогехгачоскк;! сооружений.

Результату; расчетов ОПР, а тавта связи радиологгдрояаой оггослекостн с секундной кассой гютогл цедан подго?ош£е:-ш

£Г

для соответствующих алгоритмов в численных моделях кучово-дождевых облаков.

Развитый метод определения режима движения пленки с ис-' пользованием термодинамики необратимых процессов применим не только для системы лед-вода-облако, но и для других систем кристалл-дидкость-аэрэзоль в стадии интенсивного охлаждения.

' Апробация работы. Результаты исследования связи радиолокационной отражаемости и интенсивности градобития были представлены на П Югославской научной конференции по модификации погоди в г.Иаврово (Югославия, апрель 1991 год). Результаты обсуждались так'-ке на семинарах кафедры Э$А РГТШ1.

Публикации. Одна статья опубликована в 1993 году в журнале "Метеорология и гидрология", а другая принята к публикации в американский журнал Jcuina(! о (U е Mrtciffititt Scmti,

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,•заключения и списка лотератури, включающего 105 наименований. Общий объем диссертации составляет УЗУ в том числе № машинописного текста, < таблица, рисунка.

■ ОСНОВНОЕ СОДЕЖАНКЕ РАБОТЫ :

Во .'введении дано обоснование актуальности темы диссертационной роботы, сформулирована цель исследования, оплсыва-тся структура диссертации.

В порвои глав? рассматривается уточненная модэль обледенения плоской горизонтальней поверхности. 3 п.1.1 обсузда-. птся основные нодостягхи и вог^скиости усо взраенствовакк i лрг.*:пую'л модулой,на базе чего стр;-.тся зо?ая моде>;ь. U 11.1.2 павиан споссб разделение ¡г^амов облод?нен;м Со cpi:~

вон (ТРС) и без .срыва (ТРБ1Г) переохлажденной води о поверхности водяной пленки на объекте обледенения с'помощью'вводимого показателя (коэффициента) реализации ( ИЬ ), показываю-- ■ щего какая часть'от водности угле осевшей на пбверхности обледенения реализуется продвигавшимся фронтом кристаллизации. Такой коэффициент является слокноИ функцией гидродинамики обтекания объекта и внешних термодинамических.условии. Он находится из сравнения условного переохлаждения на фронта получаемого из предположения о реализации всей эффективной водности, с потенциальным переохлаздением на фронте , 1

определяемым из предположения о максимальной теплоотдаче при з^тчнных гидроаэродинамических условиях.

Если Лто это означает, что ;ущеотвугст условия для дополнительной теплоотдачи с поверхности водяной пленки на объекте обледенения, притом Лэто есть реальное пере-

I > • ■ ■

охлаждение на фронте кристаллизации. При этом в процесса . обледенения реализуется .максимальная водность аэрозоля.

Ьсли Д~1() ¿: , то процесс кристаллизации ■ограничивается услогпем максимальная^теплоотдачи и определяемым отои-ца потенциалом переохлаждения А^д . '¡оэтому ■ Л^д в отом случае ото и есть реальное переохлаждение на фронте, а количество реализуемой фронтом водности находится из соотношения

Б

(I)

»

где В - кгнетонта в иорлуле для линейно»! слорос«» кристея~ ,;изаи:'и (ЛЖ).

А-я расчета тэпяомассоотдочи погегхности о^длклмя при наличии спуво пер-ояла.;.до||кол ео;чы к.м оез ¡"..то при .-дек а-

ются экспериментальные'данные по тепломассоотдаче тел, охла-вдаемых распыленной водой. Дан 1фатиий обзор имеющихся в литературе экспериментальных данных в этой области.

В п.1.3. показан способ классификации беспленочных режимов обледенения о использованием параметра hp - равновесной тол- , щшш водяной пленки. Режимы обледенения в этом случае отличаются своей реакцией на флуктуации термодинамических параметров и в зависимости от этого названы реагирующим ламинарным режимом обледенения (PJEP0) и индифирентным ламинарным режимом обледенения (ИЛРО).

■ В п. 1.4. получены существенно уточненные результаты по обледенению в морской воде соленостью 01С$оИ 30/» При этом в некоторых предельных случаях связь мезду соленостьв морской • воды, и обледенением оказатась существенно отличащейся от принятой в известной модели' обледенения Морских судов, развитой в ЛГШ. ' ••

Предлагается разделение реяимов обледенения с помощью вводимого комплексного критерия.

тех

• ь»-п«--5- , (2)

рл

где - максимальная плотность льда при заданной солено-

сти морской воды, а $>А -текудад плотность льда, ь'шхпмальное значение о) достигается при довольно малых водностйх потока или больших переохлаздекиях, а минимальное - определяется, в оснознои, условиями срыва псроохлагзониой вода.

Во второй гладе в продолжение развития теория обледенения построена модель обледенения бесконечного ннлшдра в потоке переохлажденного аэрозоля, .погорая ;<рл учете корреляционной

моглт бнть использована 2ДО прогноза обледенения рг-зяич-

:>у.:: оос-^кгов слога.« форм.

В п.ЗЛ. .гаиы основные лслояенил и границы применения

модели. В п. 2.2 с целью' определения осредн'лшой по слою скорости течения тонкой переохлажденной пленки н& поверхности обледенения решается уравнение Навьв-Стокса в цилиндрических координатах. Полученное решение представляется в виде

■ «з,

где 1) - текущая толщина водяной пленки, ^¡в м ^ - дкнами-ческая вязкость и плотность воды, р1 ~ касательное напряженно на поверхности водяной пленки, создаваемое воздушным потоком и каплями, - " *' . радиус обледеневающего

ЯР

цилиндра, ( ) - радиальный перепад давления в погра-

¡)<р ■

нпчном слое, создаваемый .воздухом и каплями, . - ускорение свободного падения, у - угол,отсчитываемый от передней критической ТОЧКИ. . ' ■ ' •

В и.2.3 .¡рзцло-хен- способ определения давления и касательного напряжения па поверхности водяной пленки, создаваемого ансамблем капель. Показано, что в определенных случаях (например пгй Ьслыотх юднсстях) необходим учет зток соетавляющоЛ касательного напряжения. Задача опрбделени.ч водности потока решается р п. 2. г в п. 2. 5 этот результат применяется для нахождения окгихалзктиоЛ по объему (гш/Л ) г.аплв в геолреде-жчлги у ерегпеинтгч ральвого коэффициента захвзто. -В п.2.6 гмтдк'тся волйчг.иа максимальная возможная толцииа ведк-

1<ои .-ленки, кэтерзя определяет устойчивость погсрхгосте под

; у..-...,- гесполышх гат-допий. Ьо.-ичгча ^ , о 5-

рагс.", I ' пг../.ле;;1.':! -.с;1:. '..Л . Чг>: ;.ои-р-

■". _'/] , ■ -у." „сгс р ?.'".;'о -^ст'-' по1. 1М'гг;,г: к-чи;,;..^-

ного и пульсационного давления в турбулентной слое, ¿¡инпмнль--ная толщина водяной пленки,4 при которой возникает ее турбу-лиззция определяется моментом охлопывания ламинарного подслоя на границе с твердой фазой.н диффузионного подслоя, в котором затухают турбулентные пульсации. Предлагаемая классификация различных режимов обледенения приведена в п.2.9.

Уравнение для потенциального переохлаждения на фронте А^й в этом случае имеет следупшии вид: '_

п л-а А1 -ЯФРФ&ъ; + ¿чъ^п-гл

+ Г ^сЛ« + сз№,р;е-уУг,х 1.. п

[ гнэ + Щ ---о-вл +

+ 3---к .¿4 --2-V, 0 -о с4»

• т в вх , "«а-

'гдесь «Д/ь/ед - число Нуссельт:з,' характеризующее теплоотдачу Тела, охлеОгд.-пего распиленной водой и учитывающее следующие процессы: теплопередачу в обтекасщий ноток, испарение о поверхности и тгр-з капель, оседающих на поверхности водяной

пленки, для .А'и с и привлекут ся имепциеся эксперикектэдь-

»«■

ние дашше. Остальное обозначения следурцие: - осродиеп-— . о 1р гаччггт. Ьд-п - скрытая теплота плавления

, .'. .'.к' цнлнир-.; •• а сгпсопйссгь

турбулентности в водяной пленке; Sh - число Шервуда;

D - коэффициент диффузии водяного пара в воздухе; "Ъ-—т

"1,8 . Ю~ г.см"3 °С - константа; Кт- коэффициент трансформации температуры капель корской воды при полете; Кф - 'безразмерный коэффициент Íорлы ледяного отлокения (для цилиндра Кф «5Г,д.-я сферы 4), ^ - эффективная водность . потока* Припяти, также'следующие сокращения для разниц температур:

- стабильной кристаллизации и акрукающего воздуха Тт;х : 'üí-íf То - Т(х; ■

- температурь! морской, поверхности Тв и окружающего воздуха ТБХ ¡ aIdbx* Тб-Твх.

Значения уоредйенной температуры поверхности водяной пленки не поверхности облдденения T¡ играют юсопус роль в кинетике процесса, Поэтому приведем формулы для ео^опреди ■ленля. В случае, когда текущая толщина пленки li , ■т.е. при йаличпи срым переохлазденной' воды с поверхности обледенения, она определяется*из следующего уравнения:

.«як ,

Г - Т - üt - Iя ' -"И?" "vo"CB . .

1 ° а ^V75^ (5)

Если зле срыв^воды отсутствует и текущая тодшина Водяной пленки fi < (he , то температура помрхиости водяной пленки определяется по уравнению _ _ _ ___

CB-Sh-p g Г т _ f f «-B-¡rD-Sh'e „ ,

"2R3 ^ V J ~ [ "'2R¡ + ~2ПЭ + +

." ...............n - i ';

4-в®"в'5 Г "л 1 Г т „ т ] . 1

+ —*с9-т в-вх + — ш;--[ "Тъ J • / 1т* тп* J +

t

' !

_ ' п - 1. ■

L„ „.qE-V Г р„'1 п

Бдеи: Lr-п ~ теплота парообразования воды;

Ми - число Пуссельта, рассчитываемое 'из формул для совместного действия процессов тепло- и массообмена; п -- безразмерный коэффициент принимающий значение от I до 2.

В третьей главе развитая теория обледенения применена

■ ■'к'расчету PIO растущих градин и для определения ее связи с

интенсивностью градобития. Определяются функциональные границы иеуду режимом устойчивого турбулентного движния во-

■ диной пленки на. доверхцости растущей градины и реяимом неустойчивого вязкого двиденля. Рассчитывается толщина пленки в режиме ее существования как функция параметров куче-.во-доздевого обдагл.

i

. В настоящее время дли расчета раддолокащюннон отраяае-коста ансамбля градяд применяются данные о эффективной поверхности рассеяния (Э11Р) ледяных сфер покрытых водяной пленкой. Однако, икепднеся в литературе данные о функции ЭПР от радиуса частицы предполагают заданное позтсянное значение тоедиик пленки во всем диапазоне. Нодцу тем, как пока-рнз-.ил' расчеты тслг:та водяно" пленки о ростом радиуса гра-дппл изменяется. По обходили! учет тоясдан рзалшоп пленки oj.-.ч'-ч.яетсл сильной, зависимость:» ЭПР частщ* определенного jK-л'йо-л он ото;; '¿Алдан.

качение темторахуры поверхности пс.г/гио;! дяекки, накден-н::е но np:vv¿oконкой теоретической cxev.e сразниваится с экс-

периызнталшыми данными Р.Листа. Шчественное согласив эксперимента о опытом вполне удовлетворительное.

■ Впервые выполнен раочет скорости обледенения и радиолокационной отражаемости с учетом реальной температуры повэ- • рхности. Оказалось, что, несмотря на сравнительно небольшое изменение температуры .окончательные результаты существенно уточняются.

Дка описания тешаратурно-влагшостных условий в облаке на высоте максимума радиолокационной отражаемости вводится следующий параметр, имеющий размерность температуры

. к • • (7) ;

где: Тд - температура .'в облаке на данной высоте, ^ с вод- ; ность в облаке, Ка> - коэффициент формы растущей градины.

В общем случае при. < 8°С нисходящей части траекторий градин характерен рост'Всего ансамбля градин в турбулентном режиме с водяной пленкой на кавдой из них. В этом случае для расчета ЭПР такого ансамбля в первом приближении можно воспользоваться данными об ЭПР для водяных сфер. Связь радиолокационной отражаемости и индикатора градоопаснооти

4 2 -1

(К . Дж.м .с ) в этом случае выглядит:

к - 1.01.10*.я,5**

■ (8)

где - РЛО ансамбля градин на дшше волны 10 см, вырал^н-ная в си"'

При р > 40°С лишь небольшая часть всего спектра падающих градин радиусом И < 0,3 см растет с кнопкой ка поверхно-. стиОсновная часть всего ансамбля градин растет при этой в вязком релиме, когда пленка на поверхности градины отсутствует, Поэтому, в этом случае для расчета ЭПР ио.тло воспользоваться данными о ЭПР часто ледяных сфер. Связь РЛО и К в ' этом случае имеет следующий вид:

к -2.55 10'. (5)

При 8°С < ^ < 40°С весь спектр падающих градин делится на три неравных части и связь РЛО и Т| зависит от комбинации параметров (¡. и Т^.

Введенный комплексный параметр обледенегаи и) определяет такта и характер процесса электризации. При. разделение зарядов идет под пленкой воды* 'создаются значительные кристаллизационные потенциалы. При и)>1. налетающие на ледяную поверхность капли взрываются, электризация разлетающихся осколков максимальна. При ,, особенно при наличии кристаллической фазы в обтекающем потоке, существенным является механизм электризации при контактной кптеракцкп с поверхностно так называемого "мягкого" льда.

Основное вывода полученяве в работе могут быть сформулированы в следующем виде:

- в развитой модели обледенения морских судов введен учет ср:"за перэохлэгденной води при избыточной водности, рсаль-

кого теплообмена в аэрозольных погонах н солености морской воды;

- для разделения рэгджоз обяедеяения получен комплексной крч-гзрчй и> , который определяет так;я и характер процосса

электризации обледеневающей поверхности;

- для уточнения теории обледенения необходимо учитывать касательное напряжение, создаваемое каплями на поверхности во. дяной пленки, а тагога изменение давления воздуха в пограничном слое;

- полученный теыпературно-влакюсишй параметр процесса гра-

- дообразования ¡5 характеризует связь К и ^ ;

- в пределах 8°С > [3 > 40°С связь К и Ц практически

( однозначна, а при 8°С {3 < 4С>°С требуются дополнительные уточняйте сведения о температуре облака,"

Основное содержание диссертации опубликовало в следующих работах:

1. Карев А; Радиолокационная отражаемость и кинетическая энергия ансамбля градин в различных стадиях развития процесса //Тезисы докладов на П Югославской конференции'по модификации погоды (г.Мэврово, Югославия, апрель 1991 г.)

2.' Карев А;Р." Термодинамические и ради ело кадяонные свой-ййа водяных пленок на поверхности растущих градин// Мэтеоро-логия и гидрология, 1993 - В 2, •

3. Кле1>итт Ь.О., Каяеу А. Р. ТЬеймос^мажсл!. лыс!

' Подписано к печати I февраля 1993 г..

Осъём 1,0 п.л.Тир.100.3ак.90. Бесплатно

Тип.ВАС.