Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальное моделирование процессов тепломассообмена при испарении, кристаллизации капельных зародышей града

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное моделирование процессов тепломассообмена при испарении, кристаллизации капельных зародышей града"

На правах рукописи

Балкарова Светлана Борисовна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ИСПАРЕНИИ, КРИСТАЛЛИЗАЦИИ КАПЕЛЬНЫХ ЗАРОДЫШЕЙ ГРАДА

Специальность 25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

I

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАЛЬЧИК-2004

Работа выполнена в Кабардино-Балкарском Государственном университете им. Х.М. Бербекова и ГУ "Высокогорный Геофизический институт" Росгидромета.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Тлисов Мухамед Индрисович

доктор физико-математических наук, профессор Ким Николай Сергеевич

доктор физико-математических наук, профессор Хачев Мухадин Мухарбиевич

Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова

Защита состоится "29" октября 2004 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д. 327.001.01 при ГУ "Высокогорный геофизический институт" Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ "Высокогорный геофизический институт" Росгидромета.

Автореферат разослан "29" сентября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор географических наук

В.В. Разумов

2005-4 12740

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Физика облаков и активные воздействия на них как отрасль современной науки имеет большое значение для общества в связи с решением множества задач, относящихся к различным сферам деятельности людей: метеорологии, авиации, экологии, сельскому хозяйству, предотвращению опасных стихийных явлений и др. По данным ВМО, ежегодный ущерб, причиняемый градом, оценивается в 2 млрд. американских долларов.

При исследовании механизма образования града возникают принципиальные трудности, заключающиеся в том, что проведение прямых экспериментов внутри градовых облаков до сих пор сопряжено с опасностью для жизни исследователя, а также связано с решением сложных научно-технических, финансовых и организационных проблем. В связи с этим получили развитие методы, в которых с целью восстановления картины процессов, происходящих в градовых облаках, приходится решать обратную задачу, заключающуюся в расшифровке внутреннего строения выпавших градин. Основным источником информации о микрофизических характеристиках фа-дин являются тонкие срезы градин. Вопрос о том, как образуются зародыши града, остается центральным в изучении механизма его образования, от которого зависят применяемые способы воздействия.

Быстротечность процессов образования града предъявляет особые требования к методике засева облаков и к выбору зоны внесения реагента. Поэтому значительный интерес для воздействия на градовые процессы представляют исследования процессов тепло- и массопереноса при охлаждении и затвердевании капель воды, витающих в потоке воздуха.

Наряду с успехами, достигнутыми в физике облаков за последние десятилетия, следует отметить, что некоторые вопросы еще остаются малоизученными. Это относится, прежде всего, к процессам в облаках с участием ледяных частиц, электричеству облаков, взаимодействию процессов в облаках и т.д.

Одной из наиболее сложных в физике облаков является градовая проблема. Этой проблеме посвящено множество теоретических и экспериментальных исследований у нас в стране и за рубежом, в ходе которых установлены закономерности образования и развития градовых облаков различных типов, изучено их строение, разработаны методы воздействия на них. Тем не менее, до сих пор многие вопросы, связанные с образованием и ростом градин, остаются нерешенными. В частности, все еще остаются малоизученными некоторые важные аспекты микрофизических процессов в градовых облаках из-за сложности теоретического анализа и экспериментального исследования.

Цель работы. Экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса при охлаждении и кристаллизации капель воды и росте зародышей градин. Экспериментальное моделирование процессов испарения и кристаллизации левитирующих капель воды, находящихся в потоке воздуха, при отсутствии и наличии электрического поля.

Для достижения этой цели были сформулированы и решены следующие задачи:

- разработана методика экспериментального моделирования процессов кристаллизации и испарения капель воды;

- обработан и систематизирован экспериментальный материал, исследованы процессы переноса и фазовые превращения в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при отсутствии и наличии электрических полей;

- проведены анализ и уточнение существующих решений задачи о затвердевании сферических тел;

- выполнены эксперименты по исследованию влияния электрического поля на процесс кристаллизации и на интенсивность испарения левитирующих капель воды.

Метод исследования. Для решения поставленных задач:

- сконструирована научная аппаратура для экспериментального моделирования процессов кристаллизации и испарения капель воды;

- проведено микрофотографирование левитирующих капель воды в потоке воздуха для контроля изменения их размеров,

- осуществлялось измерение скорости потока воздуха дифференциальными трубками Пито для получения профиля потока в месте расположения жидкой капли;

- проведено исследование малого параметра (метод возмущений) для определения распределения температуры и положения поверхности раздела фаз.

Научная новизна. В работе впервые получены следующие результаты:

- уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания в потоке воздуха капель воды, их размеры и температуру среды;

- эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха;

- зависимости, обобщающие результаты экспериментов по тепло- и массопереносу от замерзших капель воды в потоке воздуха;

- температурно-временные зависимости времени испарения и продолжительности кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха при отсутствии и наличии электрического поля.

Практическая ценность представленной диссертационной работы состоит в том, что:

- полученное уравнение множественной регрессии с высоким значением коэффициента корреляции, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с температурой среды и размером, может быть использовано при теоретическом моделировании процессов зарождения и роста града;

- результаты исследования особенностей испарения капель могут быть использованы для совершенствования методов оценки эффективности работ по искусственному увеличению осадков;

- полученные результаты экспериментального моделирования могут быть использованы при определении времени образования капельных зародышей града в облаках.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные результаты:

- уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с температурой среды и с размером;

- эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха;

- методика и результаты экспериментального моделирования процессов тепло- и массопереноса при кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха;

- результаты экспериментального моделирования процессов испарения и кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха при отсутствии и наличии электрического поля.

Достоверность результатов. Достоверность результатов диссертации обеспечивается тем, что разработанные и использованные в работе средства измерения и индикации поверены, отградуированы при помощи эталонных и стандартных средств измерений в соответствии с существующими положениями. Применены апробированные физические, математические и статистические методы исследований, обработки, анализа и обобщения данных.

Личный вклад автора. Автором работы под руководством научного руководителя были получены следующие результаты:

- систематизированы и обобщены экспериментальные данные по тепло - и массопереносу затвердевших частиц и времени полного затвердевания капель воды;

- экспериментально исследованы процессы кристаллизации и испарения левитирующих капель воды в потоке воздуха;

- получен профиль скорости потока воздуха, необходимый для «подвешивания» капли воды в потоке воздуха, а также определены максимальное время протекания процесса полного испарения и максимальный размер левитирующих капель воды в потоке воздуха;

- экспериментально установлены главные факторы, определяющие интенсивность и длительность протекания процессов кристаллизации и испарения при наличии электрических полей и при их отсутствии.

Апробация полученных результатов. Основные результаты работы докладывались на:

- Межрегиональной конференции молодых ученых «Перспектива». - Нальчик, 2002;

- Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы - Нальчик, 2001;

- Конференции молодых ученых КБНЦ РАН. - Нальчик, 2002;

- Региональной конференции «Теоретические и прикладные проблемы современной физики». - Ставрополь, 2002;

- Конференции молодых ученых Высокогорного геофизического института, посвященной 90-летию Г.К. Сулаквелидзе. - Нальчик, 2003;

- 5-ой Российской конференции по атмосферному электричеству. -Владимир, 2003.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 126 страниц машинописного текста, включая 10 таблиц, 19 рисунков, список используемой литературы из 112 наименований работ, из них 35 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы, характеризуются теоретические и методологические основы исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также апробация работы.

В первой главе представлены результаты анализа современных теоретических и экспериментальных исследований процессов переноса и фазовых превращений в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при наличии электрических и магнитных полей. Особое внимание уделяется гидродинамическим характеристикам витающих капель. Отмечаются вопросы, которые изучены недостаточно. В частности, недостаточно изучены микрофизические процессы в облаках с участием ледяной фазы и электрические явления, имеющие место в реальных условиях в облаке. Многие из этих процессов не только сложно описать, но и трудно воспроизвести, промоделировать

в лабораторных экспериментах. Делаются выводы о том, что для исследования процессов тепло- и массопереноса при охлаждении, затвердевании, росте витающих частиц конвективных осадков необходимы целенаправленные лабораторные эксперименты. Кратко описываются основные модели переноса теплоты внутри капли. Рассмотрены уравнения подобия, с помощью которых можно определить скорость витания капли при различных температурах и давлениях движущегося газа.

Вторая глава посвящена описанию аппаратуры и методики экспериментального моделирования процессов охлаждения, затвердевания, таяния и выпадения градин, ошибкам измерений.

Для исследования процессов тепло- и массопереноса при охлаждении и затвердевании капель воды, свободно витающих в потоке воздуха, охлаждении затвердевших частиц, их дальнейшем росте и таянии была создана экспериментальная установка. Схема аэродинамической установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - рабочая трубка, 2 - сопло, 3 - камера стабилизации, 4 - электронагреватель, 5 - воздухоохладитель, б - вентилятор, 7 - металлическая сетка, 8 - ячеистая перегородка

По принципу действия экспериментальная установка представляет собой частично замкнутую аэродинамическую трубу, работающую при нормальном атмосферном давлении. Основными ее элементами являются: вентилятор, камера стабилизации, холодильная машина, электронагреватель, сопло, измерительный участок и измерительные устройства. Воздух всасыва-

ется через трубу вентилятором 6 и подается воздухоохладитель 5 Охлажденный воздух проходит через электронагреватель 4, камеру стабилизации 3, насадку 2 и поступает в рабочий участок 1. Здесь же в рабочем участке вводится капля воды. Стабилизирующий объем служит для выравнивания температуры и скорости потока, а сопло - для снижения уровня турбулентности и разгона потока до заданной скорости. Вход и выход сопла экранируется металлическими сетками 7 для устранения завихрения воздуха. Для этой же цели используется и ячеистая перегородка 8, выполненная из полихлорвиниловых трубок. При прохождении воздуха через эту перегородку поток разделяется на множество струй с ламинарным режимом течения внутри трубок и таким образом происходит устранение оставшихся завихрений. Для уменьшения теплопритоков из окружающей среды, устройство тепло- и пароизо-лировалось. Капля находилась во взвешенном состоянии внутри рабочей трубки, которая была выполнена из органического стекла. Этим обеспечивалось визуальное наблюдение за движением капли.

Внутренние стенки рабочей трубки были сделаны в виде конуса. В экспериментах использовалась трубка диаметром 40 мм, высотой 120 мм и углом расширения 3°35'. Капли, диаметр которых 1 - 5 мм, могли находиться в свободно взвешенном состоянии в течение нескольких десятков минут. При проведении экспериментов измерялись: температура потока воздуха в месте нахождения капли, температура и размер капли, скорость и относительная влажность потока воздуха.

Для осуществления экспериментального моделирования влияния электрического поля на процесс кристаллизации капель воды на рабочей трубке закреплялись обкладки плоского конденсатора, на который подавалось высокое напряжение от источника ИВН-1. Наблюдение за ходом эксперимента проводилась визуально с помощью термопары (медь-константан), сигналы от которой записывались на самопишущий прибор - потенциометр КСП-4.

Экспериментальная установка позволяет подвешивать крупные капли и ледяные частицы в потоке воздуха, ставить эксперименты по кристаллизации крупных водяных капель диаметром <1>1мм, исследовать фазовые превращения капель как за счет изменения температуры газового потока, так и за счет внесения в поток капель различного размера и в различном тепловом состоянии.

Третья глава посвящена результатам экспериментального моделирования процессов охлаждения, затвердевания и испарения капель воды в потоке воздуха.

Экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса при кристаллизации левитирующих капель воды в аэродинамической трубе позволили определить общий (с учетом испарения) суммарный коэффициент переноса теплоты:

а

= 1,76 + 0,2Тм,

О)

где а - коэффициент теплоотдачи; а - общий коэффициент теплоотдачи; Тм - температура смоченного термометра.

Для определения а рекомендуется использовать общепринятое в специальной литературе известное уравнение подобия Рэнца-Маршала № = 2 + 0,5411е0'5, где Ыи - число Нуссельта; Яе - число Рейнольда. Значения коэффициентов массоотдачи можно получить на основании аналогии между процессами тепло- и массообмена.

Эксперименты в аэродинамической трубе позволили определить полное время затвердевания капель в безразмерной форме:

г Н, 2

/л =— 1 +-

0 <н в/

1+± У.

с ЛТ

(2)

где

£¿9

Я*2

- 1фитерий Фурье; Вг =

а Л

- критерий Био;

¿¡У = ся(Тт -Т„)/Ьпя - критерий Стефана; Ьт - теплота затвердевания; сл -

массовая теплоемкость льда;

/ +

- комплекс, учитывающий переохлаж-

дение капли перед затвердеванием; сж - теплоемкость воды; ЛТп-(Тп- Тт ); Т„- температура переохлаждения воды; т0 - полное время затвердевания.

При обобщении экспериментов уравнением (2) максимальное отклонение не превышало + 15 %, а среднее составило 2,2 %. Дня определения т0 в обычной размерной форме уравнение (2) можно записать как

Гп ="

6Л„(ТШ-Т„)

2Л.Я

а

1 +

1+

(3)

В экспериментах по моделированию влияния электрического поля на интенсивность испарения и процесс кристаллизации левитирующих капель жидкости измерялись: температура потока воздуха в месте нахождения капли, температура и размер капли, относительная влажность и скорость потока воздуха. В результате экспериментального моделирования получена эмпирическая формула (при коэффициенте корреляции 11=0,95)

Т = 1.64/ -40.9 ,

(4)

устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха, позволяющая определить время полного испарения крупных капель размером (с1 = 4-5 мм) в потоке воздуха. Данная зависимость показана на рис. 2. При доверительной вероятности 0,95 доверительный интервал составляет 7,5 мм, относительная ошибка серии измерений равна 11 %.

Рис. 2. Зависимость времени испарения от относительной влажности потока воздуха для левитирующих капель диаметром с/ = 4- 5мм

Эксперименты в аэродинамической трубе позволили определить максимальное время протекания процесса полного испарения и максимальный размер капель воды, витающих в потоке воздуха продолжительное время (до 85 мин), а также получить профиль скорости потока воздуха, необходимый для подвешивания» капли воды в потоке воздуха. Зависимость размера левитирующей капли воды от времени испарения представлена на рис. 3.

<1.ш ■

5 4

3

г 1

о ■ ■ * ■ * ■ ...........

5 15 25 35 45 55 65 75 Т. мин

Рис. 3. Зависимость размера капли воды от времени испарения

При вероятности 0,95 доверительный интервал составляет ±1,67(мм), среднее значение диаметра капли 2,78 мм, изменение диаметра капель через определенные промежутки времени составило примерно 0,5 мм. Относительная ошибка результата серии измерений по определению ¿/равна 5,9%.

Проведенные лабораторные эксперименты позволили установить, что процесс испарения жидкости с поверхности подвешенной в потоке воздуха капли протекает наиболее интенсивно в том случае, когда левитирующая капля находится в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см, и менее интенсивно в том случае, когда капля находится в переменном электрическом поле.

Изменения температуры капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в потоке воздуха при отсутствии и при наличии электрических полей, представлены на рис. 4.

т

20 18 16 14

12

О 5 10 15 ?0 75 30 35 40 45 т ,с

Рис. 4. Зависимость Т = /(г) для талой снеговой воды при испарении а - при отсутствии электрического поля; б - при наличии переменного электрического поля; в — при наличии постоянного электрического поля

Подобное явление, очевидно, можно объяснить следующим. При наложении постоянного электрического поля происходит деформация капель. Они вытягиваются по направлениям силовых линий электрического поля. Растяжение капель и является одной из причин интенсификации теплообмена. При наличии постоянного электрического поля электрические силовые линии, имеющие постоянное направление, способствуют более быстрому отрыву молекул воды с поверхности капли. Электрические силовые линии способствуют более быстрому преодолению сил поверхностного натяжения, а также более быстрому росту внутренней потенциальной энергии каждой молекулы.

При установившихся характеристиках потока воздуха в аэродинамической установке экспериментально находилась зависимость температуры замерзания капли от времени Т = f(t). Типичный вид такой зависимости представлен на рис 5. Для сопоставления результатов эксперимента температурный порог кристаллизации в подвешенной капле жидкости исследовался при отсутствии и наличии постоянного электрического поля.

Рис 5 Экспериментальная зависимость Т=/(г) а - при отсутствии электрического поля; б - при наличии электрического поля;

в - по данным Т.Н. Громовой и др. при отсутствии электрического поля;

1 - охлаждение капли воды,

2 - затвердевание;

3 - охлаждение замерзшей капли

На обобщающей кривой можно выделить три участка, отражающих три физических процесса: охлаждение жидкой фазы 1, затвердевание 2 и охлаждение твердой фазы 3. За счет дендритной кристаллизации образуется ледяная корка (в этот момент выделяется скрытая теплота фазового перехода) и температура капли резко (скачкообразно) повышается до 0°С. На рис. 5. (а) в качестве примера приводится зависимость Т=/(г), полученная при кристаллизации капли дважды дистиллированной воды диаметром 3, 86 мм. При средней продолжительности полного замерзания капель дважды дистиллированной воды, равной 67 с, среднее время ожидания момента начала замерзания составило 10

мин. Процессы охлаждения и затвердевания при отсутствии и наличии электрического поля в обоих опытах практически совпадают (рис. 5. (а) и (б)). Однако скачок температуры при наличии постоянного электрического поля был на 2°С выше, чем при его отсутствии, т.е. электрическое поле влияло на процесс кристаллизации. На процессы тепло- и массопереноса существенное влияние оказывали диэлектрические свойства жидкости при наличии электрических полей в объектах, где наблюдались процессы переноса.

Результаты экспериментального моделирования процесса кристаллизации капель жидкости при отсутствии электрического поля были сопоставлены с работами Т. Н. Громовой и др. (рис. 5. (в)). При средней продолжительности полного замерзания капель дистиллированной воды диаметром <1=1,2 мм, равной 70 с, среднее время ожидания момента начала замерзания составило 18 мин.

На рис. 6. приводятся сравнительные кривые среднего времени ожидания момента начала замерзания: 1 - по нашим данным, 2 - по данным Т.Н. Громовой.

Т,° С

Рис. 6. Среднее время ожидания момента начала замерзания

1 - по нашим данным;

2 - по данным Т.Н. Громовой и др.

Из рис. 6 видно, что среднее время ожидания момента начала замерзания по данным Т.Н. Громовой и др. значительно больше, чем в наших экспериментах.

На основе статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с температурой среды и размером

тк= -0,417 + 2,3 • 10 ~2с1 —0, 188 Т (5)

при коэффициенте корреляции 11=0,934 и коэффициенте детерминанта 0Л=0,869.

График реальной поверхности, связывающий время полного замерзания капель воды с температурой среды и размером, показан на рис. 7.

Рис. 7. Реальная поверхность, связывающая время полного замерзания в потоке воздуха капель воды их размеров и температуру среды

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны аппаратура и методика по исследованию процессов испарения и кристаллизации капель воды, подвешенных в потоке воздуха, при наличии и отсутствии электрического поля.

2. На основе аппроксимации экспериментальных данных получено уравнение подобия, которое позволяет определить время полного затвердевания капли воды в потоке воздуха.

3. Получена эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха.

4. На основе статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания капель воды с температурой среды и размером.

5. Эксперименты показали, что процесс испарения капли воды, подвешенной в потоке воздуха, протекает наиболее интенсивно в том случае, когда левитирующая капля находится в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см, и наименее интенсивно при отсутствии электрических полей.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах

1 Балкарова С.Б. Исследование процесса испарения крупных дождевых капель взвешенных в потоке воздуха // Материалы Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы - ВГИ, Нальчик, 2001. - С. 75-76.

2. Балкарова С.Б. Исследование критической массы и толщины жидкой пленки воды на поверхности ледяной сферы // Сборник научных трудов III конференции молодых ученых. Часть 1. - Нальчик- КБНЦ РАН, 2002. -С. 127-131.

3 Балкарова С.Б. Исследование тепло- и массопереноса при испарении дождевых капель, находящихся в потоке воздуха // Сборник научных трудов III конференции молодых ученых. Часть 1. - Нальчик: КБНЦ РАН, 2002.-С. 131-138.

4. Балкарова С Б Исследование процесса тепломассообмена при испарении дождевых капель // Материалы Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспектива- 2002" Том II. -Нальчик: КБГУ, 2002. - С. 71-75.

5. Балкарова С.Б. Исследование процесса испарения крупных дождевых капель, взвешенных в потоке воздуха // Материалы Региональной научной конференции по теоретическим и прикладным проблемам современной физики. - Ставрополь: СГУ, 2002. - С. 127-131.

6. Балкарова С. Б. Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации левитирующих капель воды. // Сборник научных статей. - Viva Vox. - Нальчик: КБИБ, 2002. -№ 7. - С. 21-24.

7. Балкарова С.Б. Содержание жидкой критической пленки воды на поверхности градины // Материалы Региональной научной конференции по теоретическим и прикладным проблемам современной физики. - Ставрополь: СГУ, 2002. - С. 131-134.

8. Балкарова С.Б. Влияние постоянного электрического поля на интенсивность испарения капель жидкости // Труды конференции молодых ученых ВГИ, посвященной 90-летию профессора Г.К. Сулаквелидзе - Нальчик, 2003.-С. 22-25.

9. Тлисов М.И., Балкарова С.Б., Калов Р.Х. Лабораторное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации дождевых капель // Сборник научных трудов 5-ой Российской конференции по атмосферному электричеству. Том 1. - Владимир, 2003. - С. 226-229.

В печать 28.09.2004. Тираж 100 экз. Заказ № 4201 Типография КБГУ 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173

H !

l

f

*

г ъ

а

i

â

РНБ Русский фонд

200М 12740

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Балкарова, Светлана Борисовна

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса. Задачи исследования.

1.1. Гидродинамика витающих капель. Тепло — и массоперенос

1.1.1. Гидродинамические характеристики витающих капель.

1.1.2. Тепло-и массоперенос при охлаждении, затвердевании, росте и таянии витающих частиц конвективных осадков

1.2. Теоретические и экспериментальные исследования процессов переноса и фазовых превращений в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при наличии и отсутствии электрических и магнитных полей.

1.3. «Подвешивание» капель в потоке движущегося газа.

1.4. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Аппаратура и методика экспериментального моделирования процессов охлаждения, затвердевания, таяния и выпадения градин.

2.1. Условия проведения экспериментов.

2.2. Описание схемы экспериментальной установки.

2.3. Методика измерения основных параметров.

2.4. Порядок проведения экспериментов.

Глава 3. Результаты экспериментального исследования процессов охлаждения, затвердевания и испарения капель воды в потоке воздуха.

3.1. Математическая постановка задачи затвердевания и последующего охлаждения капли воды в потоке воздуха.

3.2. Анализ существующих решений задачи о затвердевании сферических тел.

3.3. Определение времени полного затвердевания капли и распределения температуры в затвердевшей частице.

3.4. Обобщение экспериментальных данных по времени полного затвердевания капель воды.

3.5. Обобщение экспериментальных данных по тепло- и массоотдаче затвердевших частиц.

3.6. Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации капель жидкости. t 3.7. Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на интенсивность испарения капель жидкости.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальное моделирование процессов тепломассообмена при испарении, кристаллизации капельных зародышей града"

Семидесятые годы ознаменовались новым подъемом развития науки в области физики облаков, в частности, физики грозо- градовых процессов. Благодаря значительным успехам, достигнутым в создании новой эффективной измерительной техники, в ряде научных центров мира были выполнены уникальные лабораторные эксперименты и проведены комплексные широкомасштабные исследования в натурных условиях - в атмосфере.

К ним, в первую очередь, относится национальный градовый эксперимент, проводившийся в США в 1972 - 1974 гг., и швейцарский международный эксперимент «Гроссферзух - IV», проводившийся в 1977 -1981 гг. Эти исследования существенно продвинули наши представления об облачных процессах, приводящих к градобитиям. Интерес к выпадению града определяется не только тем, что это загадочное явление природы, но и в первую очередь тем, что оно приносит значительный материальный ущерб посевам, садам, зеленым насаждениям, животным и постройкам.

Исследования механизма образования града наталкиваются на принципиальные трудности, заключающиеся в том, что проведение прямых экспериментов внутри градовых облаков до сих пор сопряжено с опасностью для жизни исследователя, а также связано с решением сложных научно-технических, финансовых и организационных проблем. Поэтому получили развитие методы, в которых с целью восстановления картины процессов, происходящих в градовых облаках, приходится решать обратную задачу, заключающуюся в расшифровке внутреннего строения выпавших градин. Основным источником информации о микрофизических характеристиках градин являются тонкие срезы градин.

В этой связи исходным обоснованием необходимости лабораторного моделирования зарождения и роста града послужило признание того, что история града заключена в форме, размере и внутренней структуре градин и возможности ее установления соответствующими физическими методами. В частности, представляется, что условия обледенения, ведущие к росту града, можно дублировать в аэродинамической трубе, а эксперименты с искусственными градинами могут раскрыть историю роста.

Несмотря на большой объем исследований, проведенных в данной области, многие вопросы, связанные с образованием и ростом града, до настоящего времени остаются не выясненными. К ним, в частности, относятся условия образования зародышей града и их последующего роста в облаке, играющие существенную роль в процессах градообразования. Механизм образования зародышей градин довольно разнообразен, но во многих случаях зародышами градин являются крупные замерзшие капли.

Современные методы воздействия на градообразование основываются на создании дополнительных искусственных зародышей градин в конвективном облаке. Физика явления заключается в том, что искусственные зародыши градин конкурируют за влагу в облаке, в результате чего происходит перераспределение воды в облаке и уменьшение размеров образующихся градин [67].

Образование искусственных зародышей происходит либо при попадании частиц льдообразующих реагентов внутрь облачных капель, находящихся в теплой части облака, либо при их последующем поднятии в область отрицательных температур и затвердевании.

Быстротечность процессов образования града предъявляет особые требования к методике засева облаков и к выбору зоны внесения реагента.

Поэтому значительный интерес для воздействия на градовые процессы представляют исследования процессов тепло — и массопереноса при охлаждении и затвердевании капель воды, витающих в потоке воздуха.

Цель работы

Экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса при охлаждении и кристаллизации капель воды и росте зародышей градин.

Экспериментальное моделирование процессов испарения и кристаллизации левитирующих капель воды, находящихся в потоке воздуха, при отсутствии и наличии электрического поля.

Для достижения этой цели были сформулированы и решены следующие задачи:

- разработана методика экспериментального моделирования процессов кристаллизации и испарения капель воды;

- обработан и систематизирован экспериментальный материал, исследованы процессы переноса и фазовые превращения в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при отсутствии и наличии электрических полей;

- проведены анализ и уточнение существующих решений задачи о затвердевании сферических тел;

- выполнены эксперименты по исследованию влияния электрического поля на процесс кристаллизации и интенсивность испарения левитирующих капель воды.

Метод исследования

Для решения поставленных задач:

- сконструирована научная аппаратура для экспериментального моделирования процессов кристаллизации и испарения капель воды;

- проведено микрофотографирование левитирующих капель воды в потоке воздуха для контроля изменения их размеров;

- осуществлялось измерение скорости потока воздуха дифференциальными трубками Пито для получения профиля потока в месте расположения жидкой капли;

- проведено исследование малого параметра (метод возмущений) для определения распределения температуры и положения поверхности раздела фаз.

Научная новизна

В работе впервые получены следующие результаты:

- уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания в потоке воздуха капель воды, их размеры и температуру среды;

- эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха;

- зависимости, обобщающие результаты экспериментов по тепло- и массопереносу от замерзших капель воды в потоке воздуха;

- температурно-временные зависимости времени испарения и продолжительности кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха при отсутствии и наличии электрического поля.

Практическая ценность представленной диссертационной работы состоит в том, что:

- полученное уравнение множественной регрессии с высоким значением коэффициента корреляции, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с температурой среды и размером, может быть использовано при теоретическом моделировании процессов зарождения и роста града;

- результаты исследования особенностей испарения капель могут быть использованы для совершенствования методов оценки эффективности работ по искусственному увеличению осадков;

- полученные результаты экспериментального моделирования могут быть использованы при определении времени образования капельных зародышей града в облаках.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие основные результаты:

- уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с их размерами и температурой среды;

- эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха;

- методика и результаты экспериментального моделирования процессов тепло- и массопереноса при кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха;

- результаты экспериментального моделирования процессов испарения и кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха при отсутствии и наличии электрического поля.

Достоверность результатов

Достоверность результатов диссертации обеспечивается тем, что разработанные и использованные в работе средства измерения и индикации проверены, отградуированы при помощи эталонных и стандартных средств измерений в соответствии с существующими положениями. Применены апробированные физические, математические и статистические методы исследований, обработки, анализа и обобщения данных.

Личный вклад автора

Автором работы под руководством научного руководителя были получены следующие результаты:

- систематизированы и обобщены экспериментальные данные по тепло - и массопереносу затвердевших частиц и времени полного затвердевания капель воды; экспериментально исследованы процессы кристаллизации и испарения левитирующих капель воды в потоке воздуха;

- получен профиль скорости потока воздуха, необходимый для «подвешивания» капли воды в потоке воздуха, а также определены максимальное время протекания процесса полного испарения и максимальный размер левитирующих капель воды в потоке воздуха;

- экспериментально установлены главные факторы, определяющие интенсивность и длительность протекания процессов кристаллизации и испарения при наличии электрических полей и их отсутствии.

Апробация полученных результатов

Основные результаты работы докладывались на:

- Межрегиональной конференции молодых ученых «Перспектива»-Нальчик, 2002;

- Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы- Нальчик, 2001;

- Конференции молодых ученых КБНЦ РАН- Нальчик, 2002;

- Региональной конференции «Теоретические и прикладные проблемы современной физики »- Ставрополь, 2002;

- Конференции молодых ученых Высокогорного геофизического института, посвященной 90-летию Г.К. Сулаквелидзе- Нальчик, 2003; 5-ой Российской конференции по атмосферному электричеству-Владимир, 2003 .

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 126 страниц машинописного текста, включая 10 таблиц, 19 рисунков, список используемой литературы из 112 наименований работ, из них 35 на иностранных языках.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Балкарова, Светлана Борисовна

Заключение

1. Разработаны аппаратура и методика по исследованию процессов испарения и кристаллизации капель воды, подвешенных в потоке воздуха, при наличии и отсутствии электрического поля.

2. На основе аппроксимации экспериментальных данных получено уравнение подобия, которое позволяет определить время полного t затвердевания капли воды в потоке воздуха.

3. Получена эмпирическая формула, устанавливающая зависимость-времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха.

4. На основе статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания капель воды с температурой среды и размером.

5. Эксперименты показали, что процесс испарения капли воды, подвешенной в потоке воздуха, протекает наиболее интенсивно в том случае, когда левитирующая капля находится в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см, и наименее интенсивно при отсутствии электрических полей.

1 с; И

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Балкарова, Светлана Борисовна, Нальчик

1. Аджиев А.Х., Тамазов С.Т. Разделение электрических зарядов при кристаллизации капель воды. //Метеорология и гидрология.- 1987.-№8,-С. 57-61.

2. Айвазян С.А., Енюков Н.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика и первичная обработка данных. М.: Финансы и статистика, 1983. -471 с.

3. Арифи А., Эйзен С. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ. М.: Мир, 1982. - 483 с.

4. Бабеня Л.А., Головейко А.Г., Новиков В.И. и др. Интенсификация испарения жидкостей под действием слаботочного высоковольтного разряда /МФК. 1986. - Т. 50, №6, - С. 954-959.

5. Балкарова С.Б. Исследование процесса испарения крупных дождевых капель, взвешенных в потоке воздуха. //Материалы Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы ВГИ, Нальчик , 2001. -С.75-76.

6. Балкарова С.Б. Исследование критической массы и толщины жидкой пленки воды на поверхности ледяной сферы. //Сборник научных трудов III конференции молодых ученых. Часть 1. Нальчик КБНЦ РАН, 2002.-С. 127-131.

7. Балкарова С.Б. Исследование тепло- и массопереноса при испарении дождевых капель, находящихся в потоке воздуха. //Сборник научных трудов III конференции молодых ученых. Часть 1. Нальчик: КБНЦ РАН, 2002. - С.131-138.

8. Балкарова С.Б. Исследование процесса тепломассообмена при испарении дождевых капель. // Материалы Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива — 2002». Том II. Нальчик: КБГУ, 2002.- С. 71-75.

9. Балкарова С.Б. Исследование процесса испарения крупных дождевых капель, взвешенных в потоке воздуха. //Материалы Региональной научной конференции по теоретическим и прикладным проблемам современной физики. Ставрополь: СГУ, 2002. - С. 127-131.

10. Ю.Балкарова С.Б. Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации левитирующих капель воды. // Сборник научных статей. Viva Vox. — Нальчик: КБИБ, 2002. №7-С. 21-24.

11. Балкарова С.Б. Содержание критической жидкой пленки воды на поверхности градины. // Материалы Региональной научной конференции по теоретическим и прикладным проблемам современной физики. Ставрополь: СГУ, 2002. - С. 131-134.

12. Балкарова С.Б. Влияние постоянного электрического поля на интенсивность испарения капель жидкости. //Труды конференции молодых ученых ВГИ, посвященной 90-летию профессора Г.К. Сулаквелидзе Нальчик, 2003. - С. 22-25.

13. Башкирова Г.М., Молоткова И.А. К вопросу о разрушении капель при замерзании. // Труды ГГО. 1981. - Вып. 439.- С.55-68

14. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. В 2-х частях, 4.2. -М.: Высш. Школа, 1982. с. 304.

15. Болога М.К., Максимук Е.П., Гордеев Ю.Н. Массообмен при коронном и барьерном разрядах //Электронная обработка материалов. -1989.-№4.-С. 31-33.

16. Болыпев JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М.: Наука, 1983.-416 с.

17. Бутусов В.В., Вишняков В.В. Применение электрического поля для интенсификации процесса абсорбции //Электронная обработка материалов. 1982.- №4. - С. 40-43.

18. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. — Л.: Химия, 1977. с. 280.г