Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидродинамическая структура поверхностного слоя на границе раздела "вода-воздух"

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Гидродинамическая структура поверхностного слоя на границе раздела "вода-воздух""

005046720

На правах рукописи

ПЛАКСИНА Юлия Юрьевна

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА «ВОДА-ВОЗДУХ»

Специальности 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы,

01.04.17 -химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 3 АВГ 2012

Москва - 2012

005046720

Работа выполнена на кафедрах физики атмосферы и молекулярной физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Лапшин Владимир Борисович Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет

доктор физико-математических наук, профессор Уваров Александр Викторович Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Жмур Владимир Владимирович, Московский физико-технический институт (Государственный Университет), заведующий кафедрой термогидромеханики океана

кандидат физико-математических наук Чекрыжов Владимир Михайлович Государственное учреждение Научно-производственное объединение «Тайфун», старший научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова Российской академии наук.

Защита состоится 20 сентября 2012 года в 1600 на заседании диссертационного совета Д 501.001.63 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ им. М. В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27)

Автореферат разослан " $ " августа 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук ^ Смирнов В. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Исследование энергообмена на границе раздела сред является классической проблемой геофизики, молекулярной физики и инженерных наук. Тепломассообмен происходит через тонкий приповерхностный слой жидкости, который по своим свойствам отличается от объёмного слоя, поэтому знание его структуры важно для постановки правильных граничных условий на границе раздела сред при описании каждой из них с помощью гидродинамических моделей. Современный этап развития этой области науки связан с прогрессом, как в экспериментальных методах исследований, так и в теоретических подходах. Традиционные экспериментальные методы, связанные с измерениями температуры, влажности и скорости ветра и последующем расчете потоков тепла на основе эмпирических формул, в настоящее время очень широко применяются на практике. В лабораторных условиях интегральные потоки могут быть рассчитаны как на основе эмпирических формул, так и с помощью прямых теплофизических измерений. Новые экспериментальные методы, применяемые в лабораторных условиях, позволяют получить гораздо больше информации об изучаемом объекте, однако в некоторых случаях они плохо применимы в натурных условиях. Одним из перспективных направлений в исследованиях межфазных процессов являются методы визуализации, основанные на новых принципах регистрации и компьютерной обработки.

В теоретическом плане происходит переход от простых эмпирических формул расчета, основанных на критериях подобия и эффективных коэффициентах теплопередачи, к более точным моделям, в которых рассчитывается двух- и трехмерные термогидродинамические процессы. Для верификации этих моделей требуются экспериментальные методы, которые позволяют определять мгновенные пространственные характеристики среды. В последние годы стал развиваться теневой фоновый метод (ТФМ). В данной работе он впервые применялся для количественного определения двумерного

интегрального поля температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред. В связи с совершенствованием методов и моделей меняется и общий взгляд на процессы энергообмена вблизи поверхности. В одномерных моделях рассматриваются усредненные параметры для холодной (тёплой) пленки (тонкого слоя вблизи поверхности, где формируются значительные температурные градиенты). В рамках этих моделей рассматриваются усредненные характеристики приповерхностного слоя жидкости, в частности, величина усредненного потока и средняя температура поверхности. Реальная структура поверхностного слоя существенно сложнее. Горизонтальная температурная неоднородность поверхности может превышать вертикальный средний перепад температур. Горизонтальная неоднородность является важным фактором формирования приповерхностных вихрей, потому что обеспечивает условия для их циркуляции при испарении с поверхности. Изменение горизонтальной и вертикальной структуры приповерхностного слоя при изменении внешних условий и является основной проблемой данной работы.

Цели и задачи диссертационной работы

Основной целью данной работы было экспериментальное исследование пространственной структуры приповерхностного слоя жидкости и тепломассообмена в этом слое для построения более точных гидродинамических моделей и последующей их верификации. Исходя из основной цели, поставлены следующие задачи:

1. Использование теневого фонового метода для качественного и количественного изучения термической структуры жидкости вблизи границы раздела сред и сопоставление результатов с данными термографии и термозондирования.

2. Оценка влияния инерционности термопары в воздухе на искажение начального участка профиля температуры в воде при термозондировании. Экспериментальная проверка критерия подобия контактного и скрытого потоков тепла для мгновенных составляющих потоков тепла в воде и воздухе, полученных при термозондировании.

3. Исследование возможностей использования получаемых методами термографии и поверхностного засева частиц полей температур и скоростей на поверхности жидкости для разделения задачи расчёта гидродинамических параметров в воде и воздухе.

4. Экспериментальное исследование мгновенных значений температурных полей вблизи поверхности воды с помощью трех экспериментальных методов (термография, теневой фоновый метод и термозондирование) для различных жидкостей.

5. Сравнительный анализ термогидродинамики приповерхностного слоя различных жидкостей (вода, этиловый и бутиловый спирты, декан, керосин, глицерин) по результатам экспериментальных исследований.

Научная новизна работы

1. Теневой фоновый метод впервые применен для количественного анализа полей температур для выбранного набора жидкостей вблизи границы раздела сред в лабораторных условиях. Полученные данные свидетельствуют о перспективности применения данного метода, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

2. Впервые были проведены совместные измерения полей температур на поверхности слоя жидкости и внутри него с помощью тепловизора и теневого фонового метода. Результаты этих измерений согласуются и дополняют друг друга.

3. Впервые был проанализирован набор жидкостей с разными теплофизическими свойствами и проведено сравнение поверхностных термодинамических структур, возникающих на границе раздела сред.

4. Рассмотрены ограничения метода термозондирования в натурных и лабораторных условиях, связанные с показателем тепловой инерции термопары в воздухе. Предложена новая геометрия термопары, позволяющая снизить величину продавливания поверхности воды при непрерывном зондировании сверху. Проведен анализ подобия мгновенных значений скрытого и контактного потоков тепла в лабораторных условиях.

Научная и практическая ценность работы

Применение ТФМ для исследования термогидродинамики приповерхностного слоя жидкости, а также совместное использование для этих задач ТФМ и термографии позволяет значительно упростить и дополнить методы экспериментальных исследований в рассматриваемой области. Данные термографии позволяют получить необходимую информацию для разделения гидродинамической задачи в воде и в воздухе, что может быть использовано для значительного упрощения численного моделирования. Поля температур, получаемые теневым фоновым методом, могут быть использованы для верификации 2Б и ЗБ гидродинамических моделей. Определение границ применимости метода термозондирования позволяет дать рекомендации по его использованию в практических целях.

Разработана новая задача практикума для студентов на кафедре молекулярной физики: «Задача № 17. Исследование энергообмена на границе раздела «вода-воздух» с помощью теневого фонового метода», и одна из собранных для теневого фонового метода установок используется в ней.

Полученные результаты использовались в работе по грантам РФФИ № 09-08-00961а и № 12-08-01077

Основные положения, выносимые автором на защиту

1. Выявлены условия возникновения конвекции Марангони для различных жидкостей (воды разной степени очистки, бутанола, декана, этанола, глицерина). Исследована гидродинамическая структура приповерхностного слоя в жидкости и влияние на эту структуру рэлеевского механизма, механизма Марангони и движения эластичной пленки.

2. Показана эффективность применения теневого фонового метода для количественного измерения поля температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред при различных режимах испарения и нагрева.

3. Предложена методика получения поля температур в воде вблизи границы раздела сред с помощью совместного использования теневого

фонового метода и термографии поверхности, которая может являться основой для нового бесконтактного метода исследования тепломассобмена океана с атмосферой.

4. Исследована применимость разных типов граничных условий для описания границы раздела вода-воздух в режиме «эластичной поверхности».

5. Исследована структура приповерхностного слоя с использованием модифицированного датчика, позволившего увеличить пространственное разрешение температурного профиля вблизи границы раздела сред с 1 мм до 0,1 мм при термозондировании.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих общероссийских и международных конференциях: 2nd Practical Conference, Sustainable development: system analysis in ecology, (Ukraine, 1996); Первая Всероссийская конференция «Взаимодействие в системе литосфера-атмосфера-гидросфера» (Москва, 1996); Ломоносовские чтения, секция физики (Москва 2009, 2011, 2012); 2nd International Conference on Fluid Mechanics and Heat and Mass Transfer (Greece, 2011); 22nd International Symposium on Transport Phenomena (Netherlands, 2011); Proc. of 15th Int. Symp. Flow Visualization, (Belarus, 2012)

По результатам работы опубликовано 16 работ в научных журналах и сборников трудов всероссийских и международных конференциях. Из них 5 публикаций в реферируемых научных изданиях из списка, рекомендованного ВАК.

Личный вклад диссертанта. Автор непосредственно участвовал в экспериментах, проводимых в натурных условиях. Лабораторные эксперименты разрабатывались и проводились автором работы лично и при участии научных руководителей. Обсуждение и интерпретация результатов проводились совместно с другими соавторами публикаций. Таким образом, все

основные результаты диссертации были получены соискателем лично или при его непосредственном участии.

Достоверность. Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обусловлена использованием современной экспериментальной техники, независимым сравнением результатов различных методов, соответствием экспериментальных результатов теоретическим расчетам.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем 161 страница, в том числе 62 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 110 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, её научная новизна и практическая ценность. Формулируются цели работы и постановка научной задачи. Излагаются основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе дается обзор имеющихся результатов, как по экспериментальным методам, так и по теоретическим моделям, используемым при анализе энергообмена на границе раздела сред. В обзоре основное внимание уделяется двум вопросам - классической одномерной теории холодной (теплой) плёнки и современным экспериментальным методам, позволяющим получить данные о структуре приповерхностного слоя. Кроме того, рассматривается вопрос о возможностях использования экспериментальных данных для модернизации алгоритмов в гидродинамических расчетах.

В разделе 1.1 дана общая характеристика процессов тепломассообмена на границе «жидкость-газ», «вода - воздух» и «океан-атмосфера».

В разделе 1.2 рассматривается классическая одномерная теория тонкого поверхностного слоя воды на границе раздела с атмосферой, которая описывает усредненный профиль температуры вблизи поверхности. В рамках этой теории

рассматривается пограничный слой океана, его особенности и структура, а также возможные механизмы формирования режимов холодной и тёплой плёнки.

В разделе 1.3 описывается пространственная структура приповерхностного слоя воды и её неоднородность как необходимое условие существования холодной плёнки, а также показано влияние атмосферы на формирование приграничного слоя океана.

В разделе 1.4 обсуждаются современные и классические экспериментальные методы исследования тепломассообмена в натурных и лабораторных условиях, а также проведён сравнительный анализ различных методов.

В разделе 1.5 рассматриваются эмпирические формулы для расчетов контактного и скрытого потоков тепла в натурных и лабораторных условиях с использованием критериев подобия. Показаны недостатки эмпирических методов.

В разделе 1.6 обсуждаются возможности численного моделирования тепломассообмена между водой и воздухом без использования эмпирических предположений, а также современные проблемы создания теории поверхностного слоя с учетом его пространственной структуры.

Вторая глава посвящена исследованию границы раздела сред методом термографии. Несмотря на то, что этот метод применяется достаточно давно, в настоящее время возможности этого метода не использованы в полной мере. Тепловизор БИг 8С-7700 М позволяет исследовать структуру приповерхностного микрослоя (ПМС) на современном уровне.

В разделе 2.1 рассмотрены экспериментальные исследования режимов существования поверхности. Показано, что возможны разные варианты поверхностной структуры. В этиловом спирте это, в основном, режим конвекции Марангони, а в воде — режим "эластичной поверхности" с большими перепадами температур на поверхности. В таких жидкостях, как бутиловый спирт и декан, возможно появление разных типов поверхностной структуры

при незначительном изменении условий эксперимента. На рис.1 показано возникновение нескольких типов поверхностного слоя в бутиловом спирте при его обдуве со скоростью 1 м/с. Выбор бутилового спирта связан с тем, что его летучесть существенно меньше, чем у этилового спирта, в то время как коэффициент поверхностного натяжения существенно меньше, чем у воды.

22.36

222Э 2222 221*

2084 3376 2068 20.61

Рис. 1 — Демонстрация нескольких типов структуры поверхности бутилового спирта при его обдуве в одном эксперименте

На рис. 1 хорошо видна разница в температурах поверхностного слоя бутилового спирта при различных режимах, что демонстрирует различия в тепловом сопротивлении приповерхностных слоев при наличии и отсутствии термокапиллярной конвекции.

Хорошо известно, что в воде вблизи поверхности происходит формирование неоднородного температурного поля со значительными градиентами температуры в узких областях, которые могут быть названы «холодными нитями». Эта структура связана с приповерхностными вихрями, которые формируют такой температурный профиль за счет испарения и движения жидкости вблизи поверхности. Показано, что такие холодные нити непосредственно не связаны с рэлеевскими вихрями. На рис. 2 представлена картина температурного поля поверхности воды в бассейне и в чашке Петри, наполненной водой и плавающей на поверхности бассейна. Вихри в чашке

Петри гидродинамически изолированы от вихрей в бассейне. Холодные нити на поверхности воды выстраиваются по температурному полю, то есть появление температурного минимума на стенке чашки за счет холодных нитей внутри чашки Петри приводит к смещению системы холодных нитей в бассейне и наоборот.

Рис. 2 — Термическая структура поверхности тёплой воды в бассейне и в чашке Петри, находящейся на его поверхности

В то же время, поверхностная система вихрей не может существовать без подпитывающей ее системы рэлеевских вихрей. Холодные нити исчезают при глубине жидкости менее 5 мм, а при глубине менее 3 см исчезают спиралевидные завихрения на поверхности, связанные с холодными нитями и появлением крутящего момента сил поверхностного натяжения (их впервые наблюдал Ю. Л. Черноусько в 1971 г). С помощью засева поверхности жидкости легкими частицами, было показано, что в режиме отсутствия термокапиллярной конвекции верхний слой практически неподвижен, в то время как при совместной конвекции Релея и Марангони частицы сбиваются в места опускания холодной жидкости. Кроме того, при неподвижной или слабоподвижной верхней пленке воды можно наблюдать движение «холодных нитей», (на глубине не более 100 мкм) со скоростью порядка нескольких мм/с. В. этом разделе также проводиться проверка применимости различных граничных условий на границе раздела вода-воздух.

В разделе 2.2 рассматриваются теоретические аспекты проблемы. Показано, что температурное поле позволяет определить и градиенты скорости вблизи поверхности и сами скорости из теории ламинарного погранслоя, которые хорошо согласуются с измерениями PIV (Particle Image Velocimetry). Толщина погранслоя по скорости оказывается порядка 0,1 мм, что подтверждается и экспериментально. Рассмотрен вопрос о нелинейной стабилизации слоя за счет изменения числа Нуссельта при возникновении конвекции Марангони. Показано, что, помимо молекулярного режима теплообмена и термокапиллярной конвекции, может существовать еще один нелинейный режим с увеличенным тепловым сопротивлением по сравнению с режимом термокапиллярной конвекции. Анализ погранслоя вблизи поверхности на основе данных термографии и термографии с засевом легких частиц позволяет оценить поле скоростей в погранслое вблизи границы раздела сред. Показано, что нелинейные члены в уравнении Навье-Стокса для слоя воды вблизи границы раздела «вода-воздух» могут приводить к изменению периодичности приповерхностных вихрей по сравнению с рэлеевскими.

Данные термографии в сочетании с засевом поверхности позволяют в режиме термокапиллярной пленки разделить гидродинамическую задачу -знание поля температур, влажностей (исходя из гипотезы о квазистационарности процесса испарения) и скоростей на поверхности в разные моменты времени позволяет решить независимо задачу для воздуха с водяным паром без каких-либо эмпирических предположений о величине тепловых потоков. Термогидродинамические расчеты для жидкости при использовании данных термографии также могут быть сделаны независимо от расчетов в воздухе.

Третья глава посвящена использованию теневого фонового метода (ТФМ) для исследования температурных полей в жидкости вблизи границы раздела сред, а также его совместному применению с термографией поверхности. Простота применения обоих методов открывает широкие возможности для их использования в геофизике и инженерных приложениях.

В разделе 3.1 описывается экспериментальная установка для ТФМ и его основные принципы. На рис. 3 представлена схема установки и вариант используемого в эксперименте фона.

Метод отличается простотой реализации, и все трудности связаны с компьютерной обработкой результатов. В работе для обработки данных используется оригинальный алгоритм и компьютерная программа, разработанная на кафедре молекулярной физики физического факультета МГУ с.н.с. к.ф.-м.н. Н. А. Винниченко. ТФМ тестируется на простых режимах: ИК— нагрев воды сверху и испарение спирта в кювете. С помощью ТФМ можно получать двумерные поля температур, усреднённые по толщине рассматриваемого объекта.

Раздел 3.2 посвящен исследованиям в небольших кюветах, когда числа Рэлея невелики. Рассматривались остывание воды, испарение, установление равновесия после прекращения испарения. Температуры, определённые

оптическая скамья

Рис. 3 — Схема установки ТФМ и вариант используемого фона: «хаотичный точечный шум»

теневым фоновым методом в реперных точках, согласуются с измеренными термопарой с точностью не менее чем 0,1 °С. Пространственное разрешение метода связано с оптическими характеристиками камеры и размерами используемой в ней матрицы. В нашей работе пространственное разрешение проверялось с помощью спектральных компьютерных тестов и составило величину 30x30 пикселей, что составляет в разных экспериментах от 0,1 мм до 0,5 мм по вертикали и горизонтали. Такое разрешение не является предельно возможным. Установлено также, что ТФМ не разрешает верхний слой жидкости порядка миллиметра вблизи поверхности из-за оптических поверхностных эффектов и наличия мениска, который не учитывается при обработке. Это никак не влияет на точность расчета температурного поля, потому что поле калибруется по температуре вблизи дна.

В разделе 3.3 рассмотрена конвекция в бассейне с размерами 31смх 16смх25см. Увеличение числа Рэлея на 3 порядка приводит к изменению характера конвекции. На рис. 4 представлена типичная картина температурного поля при остывании воды.

Через 30 с.иосле снятия крышки Через 60 с. после снятия крышки

100 200 300 400 500 100 200 300 400 500

Рис. 4 — Изменение температурного поля в воде с течением времени. Высота видимого столба воды 7,4 см, ширина 30 см, толщина 15,1 см. По вертикали и горизонтали отложены количество зон опроса, каждая зона размером в 5 пикселей, сбоку дана цветовая температурная шкала в градусах Кельвина. Температура воды в начале эксперимента — 30,5°С, воздуха — 22,8 °С, влажность 16 %. Расстояние от середины бассейна до фона 207 см, а до объектива — 93 см

В разделе 3.4 рассмотрен эксперимент с одновременной фиксацией температурного поля теневым фоновым методом и термографией поверхности. На рис. 5 представлено сравнение полей температур полученных тепловизором и ТФМ в момент всплытия термика в кювете размером Зсмх5смх 1,8см.

Рис. 5 — Сравнение полей температур, полученных тепловизором и ТФМ. а) поле температур поверхности воды в кювете, полученное тепловизором, б) поле температур в воде, усреднённое по толщине кюветы, в плоскости перпендикулярной поверхности воды, по вертикали и горизонтали отложены количество зон опроса, каждая зона размером в 5 пикселей, сбоку дана цветовая температурная шкала в градусах Кельвина, в) профили температуры, усреднённые по толщине кюветы, на расстоянии порядка 1 мм от поверхности воды (ТФМ, синий график) и непосредственно на поверхности (интегрируемый слой не превышает 100 мкм, тепловизор,

розовый график)

Из рисунка видно, что эти данные очень хорошо коррелируют между собой. На рис. 6 представлены результаты анализа температурных полей в этиловом спирте при наличии поверхностной структуры.

« 22.84

<г V 1,

А / У

\ А ^ л 1 /

\ А} Л/А /Шел 1 к /

и /у Л/1 \ 11 V

V ч у а 1 V

V

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Ширина кюветы, см

Рис. 6 — Сравнение полей температур, полученных тепловизором и ТФМ в кювете. Слева поле температур поверхности спирта в кювете, полученное тепловизором, справа поле температур в спирте, усреднённое по толщине кюветы, в плоскости перпендикулярной поверхности воды на девятнадцатой

секунде после снятия крышки с кюветы. По вертикали и горизонтали отложены количество зон опроса, каждая зона размером в 5 пикселей, сбоку дана цветовая температурная шкала в градусах Кельвина. Внизу: профили температуры, усреднённые по толщине кюветы, на расстоянии порядка 1 мм от поверхности спирта (ТФМ, синий график 1) и непосредственно на поверхности (интегрируемый слой не превышает 100 мкм, тепловизор,

розовый график 2)

Поле температур, фиксируемое с помощью ТФМ, позволяет определить глубину этих нитей. В бассейне с водой за счет значительной длины интегрирования усреднение по одной координате приводит к потере части информации о структуре трехмерного температурного поля, тем не менее,

сравнение усредненных значений дает очень хорошую корреляцию результатов ТФМ и термографии (рис. 7).

Рис. 7 — Профили температуры поверхности воды, усреднённые по толщине бассейна через 25 с и 45 с после снятия крышки. Синий график —ТФМ, расстояние 1 мм от поверхности, розовый график — тепловизор, верхние

100 мкм

Таким образом, теневой фоновый метод по своим характеристикам очень хорошо подходит не только для качественного, но и для количественного анализа температурных полей в приповерхностном слое. Дополнение ТФМ термографическими измерениями позволяет получить достаточно полное представление о температурном поле.

В четвёртой главе рассматриваются лабораторные и натурные исследования прилегающих к границе раздела слоёв воды и воздуха методом термозондирования. Основное внимание уделено не хорошо известным результатам по усреднению температурных профилей, а на экспериментах по исследованию неоднородности приповерхностного слоя, условий применимости метода термозондирования, а также исследованию подобия контактных и скрытых потоков для их мгновенных значений. Показано, что, несмотря на сложность использования данного контактного метода, при определенных условиях он может давать информацию о мгновенных значениях потоков вблизи поверхности как в воде, так и в воздухе.

В разделе 4.1 рассматривается вопрос о применимости градиентного метода, поскольку результаты предыдущих глав указывают на существование значительных горизонтальных гидродинамических потоков уже на глубине порядка 100 мкм. Этот факт делает невозможным прямое использование

стационарных термометров, поскольку они меняют структуру потока, однако применение термозондирования оказывается возможным, и до глубины порядка 1 мм можно считать, что тепловой поток определяется, в основном, молекулярным переносом из-за малой вертикальной составляющей скорости. Горизонтальная компонента скорости приводит к неоднородному распределению потока по поверхности, но слабо меняет интегральный вертикальный поток тепла.

В разделе 4.2 описываются лабораторные измерения вблизи границы раздела «вода-воздух» методом непрерывного термозондирования. Рассмотрен вопрос о влиянии инерционности термопары в воздухе на регистрируемые профили температуры. Проведены как экспериментальные измерения показателя тепловой инерции, так и теоретические расчеты с помощью стандартных инженерных формул. Установлено, что показатель тепловой инерции в воздухе сильно влияет на точность температурного профиля в воздухе и в воде, особенно в условиях, когда в воздухе существует устойчивая стратификация у поверхности раздела сред. Подобрана скорость и геометрическая форма термозонда для оптимизации измерений в лабораторных условиях. Показано, что в лабораторных условиях средние значения мгновенных потоков тепла хорошо согласуются с расчётами по модели ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) для средних значений потоков и со средними потоками, определёнными с помощью инженерного метода баланса потоков тепла, однако отклонения мгновенных значений потоков тепла от средних достигают 20%. Рассмотрено соотношение суммарного и контактного потоков тепла с точки зрения гипотезы Боуэна. Показано, что величины суммарного и контактного потоков тепла, измеренные градиентным методом, хорошо согласуются с предположением о подобии скрытого и контактного потоков тепла по Боуэну.

В разделе 4.3 приводятся примеры натурных измерений, выполненных с участием автора в экспедициях на Чёрное море. Сравнение результатов экспериментальных исследований суммарного потока тепла методом термозондирования со средними теоретическими значениями, рассчитанными

по модели COARE (Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment), показывает, что, несмотря на значительные отклонения мгновенных потоков тепла от средних значений (порядка 100 %), при усреднении эти результаты хорошо соответствуют друг другу для ситуации, когда температура воды выше температуры воздуха и в воздухе возникает неустойчивая стратификация. Это соответствие вполне закономерно, поскольку при построении модели COARE использовались, в том числе, и результаты измерений, аналогичных нашим, полученные на кафедре физики атмосферы физического факультета МГУ для акватории Черного моря. Однако стоит отметить, что в некоторых случаях, например, при апвеллинге, соответствие не наблюдается по причине плохой применимости метода термозондирования при данном соотношении температур воды и воздуха. Кроме того, теоретические модели, как правило, плохо описывают движение холодного воздуха у поверхности воды.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. С помощью использования набора различных жидкостей с разными характеристиками (глицерин — вода — декан — бутиловый спирт — этиловый спирт), такими как давление насыщенных паров, коэффициент поверхностного натяжения и вязкость, было показано методом термографии поверхности, что эти свойства, в сочетании с условиями эксперимента (влажность, температура жидкости и воздуха, наличие обдува), определяют возникновение двух различных гидродинамических режимов на поверхности, связанных с существованием или отсутствием конвекции Марангони.

2. С помощью засева легких частиц на поверхность и термографии в лабораторных условиях показано, что в воде наблюдаются значительные градиенты горизонтальной скорости по вертикальной оси. Это приводит к появлению движения жидкости на глубине порядка 100 мкм при практически неподвижном верхнем слое.

3. Анализ граничных условий показал, что ни одно из применяемых

граничных условий в настоящее время не может в общем случае описать структуру поверхности воды.

4. Впервые теневой фоновый метод был использован для определения полей температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред. Рассмотрены как задачи испарения, так и задачи нагрева поверхности ИК - излучением. Показано, что точность метода не хуже 0,1 °С, с разрешением по пространству 0,1—0,5 мм. Измерения теневым фоновым методом в отдельно взятых точках совпадают в пределах погрешности с измерениями термопарой.

5. Разработана методика фиксации поля температур, основанная на одновременном использовании теневого фонового метода и термографии поверхности, которая позволяет получить подробное поле температур в слое жидкости вблизи поверхности (расчеты проводились для этилового спирта и воды) и провести сравнение двух методов в слое вблизи границы. Получено полное соответствие методов.

6. Установлено, что метод термозондирования может использоваться без дополнительной корректировки профиля только при наличии неустойчивой стратификации в воздухе. С помощью модифицированного датчика температуры показано, что гипотеза Боуэна о подобии контактного и скрытого потоков тепла хорошо выполняется в лабораторных условиях для мгновенных значений, что позволяет в ряде случае существенно упростить расчеты.

7. Показано, что в натурных и лабораторных условиях дисперсия мгновенных значений потоков тепла, полученных с помощью термозондирования, достигает 100 % в натурных и 20 % в лабораторных условиях от величины эмпирических расчетов потоков тепла, получаемых из измерений температуры и влажности на разных горизонтах. Однако усредненные по времени величины находятся в хорошем соответствии, что свидетельствует о сильной неоднородности рассматриваемого поверхностного слоя.

Работа выполнена с использованием оборудования, приобретённого за

счёт средств Программы развития Московского университета.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации представлены в следующих

публикациях

В публикациях из списка ВАК

1. Караваева Е. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю., Твердислов В. А, Хунджуа Г. Г. Натурные исследования неравновесных процессов на границе море-атмосфера, связанных с экологическими проблемами. // Вести. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 1998, № 4, С. 30-33.

2. Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Натурные регистрации смены режимов тепломассообмена между морем и атмосферой в береговой зоне. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2009, № 2, С. 117-118.

3. Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Исследования смены режимов тёплой и холодной плёнки в лабораторных условиях.// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2009, № 3, С. 117-119.

4. Vinnichenko N. A., Uvarov А. V., Vetukov D.A., Plaksina Yu. Yu. Direct computation of evaporation rate at the surface of swimming pool // Proceedings of the 2nd International Conference on Fluid Mechanics and Heat and Mass Transfer. 2011. Corfu, Greece. P. 120-124.

5. Plaksina Yu. Yu., Uvarov A. V., Vinnichenko N. A., Lapshin V. B. Experimental investigation of near-surface small-scale structures at water-air interface: Background Oriented Schlieren and thermal imaging of water surface. // Russian Journal of Earth Sciences, 2012, V. 12, N 4, ES4002 (8p.) URL: http: //elpub.wdcb.ru/journals/qes/vl2/2012ES000517/ 2012ES000517.pdf

В других публикациях

6. Karavayeva E. V, Ushakova (Plaksina) Yu. Yu, Yakovenko L. V. Dynamics of the thin sea-surface layer and its possible impact on ecology. // Sustainable development: system analysis in ecology, 2nd Practical Conference, Ukraine, 1996, P. 67-68

7. Karavayeva E. V, Ushakova (Plaksina) Yu. Yu, Yakovenko L. V. Correlation of pH, Ion fractionation coefficients and temperature gradients in the sea thin surface layer. // Annales Geophys., 1996, supp 2, V. 14., P. 446.

8. Караваева Е. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г., Яковенко Л. В. Натурные исследования зависимости ионного состава тонкого поверхностного слоя моря и морского аэрозоля от градиента температуры в холодной плёнке. // Первая Всероссийская конференция «Взаимодействие в системе литосфера-атмосфера-гидросфера» Москва, 1996, С. 49.

9. Караваева Е. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю, Яковенко Л. В., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Корреляции между неравновесными физико-химическими процессами на границе раздела океан-атмосфера. Натурные исследования. // В сб.: Нелинейные явления в открытых системах М.: ГосИФТП, 1997, С. 120-129.

10. Аксёнов В. Н, Хунджуа Г. Г., Демчук И. С., Плаксина Ю. Ю. Режимы тепломассообмена между океаном и атмосферой при апвеллинге. // Препринт № 11. М.: МГУ, 1999

11. Андреев Е. Г., Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Аксёнов С. Н. Вертикальный профиль температуры в пограничных слоях воды и воздуха при свободной и вынужденной конвекции. // Ломоносовские чтения-2009, Москва, С. 220-221.

12. Уваров А. В., Винниченко Н. А., Плаксина Ю. Ю. Исследование энергообмена на границе раздела вода-воздух: теневой фоновый метод и численное моделирование. // Ломоносовские чтения - 2011, Москва, С. 235-237.

13. Плаксина Ю. Ю., Аксенов В. Н., Андреев Е. Г., Уваров А. В. Использование экспериментальных градиентных методов для определения потоков тепла с водной поверхности. Ломоносовские чтения - 2011. Москва, С. 224-226.

14. Vinnichenko N. A., Uvarov А. V., Plaksina Yu. Yu., Vetukov D. A.. Study of evaporation from water reservoir // 22nd International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-22), 2011, Delft, Netherlands, N20 (11 p). URL: http: //www.istp-22.org/proceedings/proceedings/documents/20.pdf

15. Плаксина Ю. Ю., Винниченко H. А, Лапшин В. Б., Уваров А. В. Анализ конвективного движения воды и воздуха вблизи границы раздела сред. // Ломоносовские чтения - 2012. Москва, С. 126-128.

16. Vinnichenko N. A., Uvarov А. V., Plaksina Yu. Yu. Accuracy of background oriented schlieren for different background patterns and means of refrection index reconstruction. // Proc. of 15th Int. Symp. Flow Visualization (ISFV-15), 2012, Minsk, Belarus, P. 81.

Отпечатано в типографии МГУ 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1, стр. 15 Заказ № 0977. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Плаксина, Юлия Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

1 Экспериментальные и теоретические методы исследования тепломассообмена на границе «вода-воздух»

1.1 Общая характеристика процессов тепломассообмена на границе «вода-воздух» и «океан - атмосфера»

1.2 Классическая теория тонкого приповерхностного слоя воды на границе раздела с атмосферой

1.3 Пространственная структура приповерхностного слоя

1.4 Экспериментальные методы исследования тепломассообмена в натурных и лабораторных условиях

1.5 Эмпирические формулы с использованием критериев подобия

1.6 Численное моделирование энергообмена без использования эмпирических предположений и проблемы неодномерной теории приповерхностного слоя

2 Термографические исследования температурных полей на поверхности жидкости

2.1 Измерение ИК излучения со свободной поверхности жидкости

2.2 Теоретические модели, описывающие конвекцию вблизи поверхности и возможности использования термографических данных

3 Использование теневого фонового метода (ТФМ) для исследования температурных полей в жидкости вблизи границы раздела сред и его применение совместно с термографией

3.1 ТФМ и возможности его применения к задаче исследования тепломассообмена вблизи границы раздела сред

3.2 Экспериментальное исследование поля температур в кювете при различных условиях

3.3 Конвективные течения при больших числах Рэлея - конвекция в бассейне

3.4 Совместное использование ТФМ и термографии

4 Использование метода термозондирования для анализа потоков тепла с водной поверхности в лабораторных и натурных условиях

4.1 Обоснование применимости градиентного метода для определения тепловых потоков вблизи поверхности

4.2 Лабораторные исследования возможностей метода термозондирования для определения потоков тепла с водной поверхности

4.3 Натурные исследования различных режимов тепломассообмена в Чёрном море

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидродинамическая структура поверхностного слоя на границе раздела "вода-воздух""

Тонкий слой вблизи поверхности раздела сред резко отличается по своим свойствам от всей остальной атмосферы и гидросферы. Прежде всего, это связано с большим влиянием процессов молекулярного переноса. Это слой больших градиентов скорости, температуры, концентрации, поэтому все три классических диссипативных процесса, вязкость, теплопроводность и диффузия, играют огромную роль в формировании структуры этой области. Масштабы этой области (от десятых долей мм до нескольких мм) не сравнимы со стандартными геофизическими масштабами и, то же время, невозможно решить задачу построения общей модели процессов без учета этой зоны, поскольку весь поток массы и тепла должен проходить через этот слой. Исследование вязкого подслоя лежит на стыке наук. Здесь сходятся интересы геофизиков, специалистов по молекулярной физике, механиков, инженеров, поскольку такой вязкий подслой возникает во многих задачах, связанных с фазовыми переходами и энергообменом. Задачи испарения и конденсации водяного пара в целом во многом схожи с соответствующими проблемами горения. Точно так же, как в задачах горения, возникает соотношение процессов диффузии и процессов теплопроводности, подобие скрытого и контактного потоков. Этот вопрос будет подробно рассмотрен в работе.

В то же время, в отличие от многих других задач геофизики, проблема энергообмена в вязком подслое может исследоваться как в лабораторных, так и в натурных условиях, несмотря на очевидную разницу в описании процессов по обе стороны от рассматриваемого подслоя.

В работе непосредственно используются три экспериментальных метода исследования структур вблизи поверхности - исследование температурного поля свободной поверхности жидкости с помощью чувствительного тепловизора с охлаждаемой матрицей, теневой фоновый метод, а также непрерывное термозондирование. Каждый из этих методов имеет свои границы применимости, достоинства и недостатки, поэтому совместное их применение позволяет получить более полную информацию о процессах, происходящих вблизи границы раздела жидкости и газа. Такие исследования будут способствовать построению более точных гидродинамических моделей тепломассообмена океана с атмосферой, а также могут быть использованы для верификации таких моделей.

Актуальность темы Исследование энергообмена на границе раздела сред является классической проблемой геофизики, молекулярной физики и инженерных наук. Тепломассообмен происходит через тонкий приповерхностный слой жидкости, который по своим свойствам отличается от объёмного слоя, поэтому знание его структуры важно для постановки правильных граничных условий на границе раздела сред при описании каждой из них с помощью гидродинамических моделей. Современный этап развития этой области науки связан с прогрессом, как в экспериментальных методах исследований, так и в теоретических подходах. Традиционные экспериментальные методы, связанные с измерениями температуры, влажности и скорости ветра и последующем расчете потоков тепла на основе эмпирических формул, в настоящее время очень широко применяются на практике. В лабораторных условиях интегральные потоки могут быть рассчитаны как на основе эмпирических формул, так и с помощью прямых теплофизических измерений. Новые экспериментальные методы, применяемые в лабораторных условиях, позволяют получить гораздо больше информации об изучаемом объекте, однако в некоторых случаях они плохо применимы в натурных условиях. Одним из перспективных направлений в исследованиях межфазных процессов являются методы визуализации, основанные на новых принципах регистрации и компьютерной обработки.

В теоретическом плане происходит переход от простых эмпирических формул расчета, основанных на критериях подобия и эффективных коэффициентах теплопередачи, к более точным моделям, в которых рассчитывается двух- и трехмерные термогидродинамические процессы. Для верификации этих моделей требуются экспериментальные методы, которые позволяют определять мгновенные пространственные характеристики среды. В последние годы стал развиваться теневой фоновый метод (ТФМ). В данной работе он впервые применялся для количественного определения двумерного интегрального поля температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред. В связи с совершенствованием методов и моделей меняется и общий взгляд на процессы энергообмена вблизи поверхности. В одномерных моделях рассматриваются усредненные параметры для холодной (тёплой) пленки (тонкого слоя вблизи поверхности, где формируются значительные температурные градиенты). В рамках этих моделей рассматриваются усредненные характеристики приповерхностного слоя жидкости, в частности, величина усредненного потока и средняя температура поверхности. Реальная структура поверхностного слоя существенно сложнее. Горизонтальная температурная неоднородность поверхности может превышать вертикальный средний перепад температур. Горизонтальная неоднородность является важным фактором формирования приповерхностных вихрей, потому что обеспечивает условия для их циркуляции при испарении с поверхности. Изменение горизонтальной и вертикальной структуры приповерхностного слоя при изменении внешних условий и является основной проблемой данной работы.

Цели и задачи диссертационной работы Основной целью данной работы было экспериментальное исследование пространственной структуры приповерхностного слоя жидкости и тепломассообмена в этом слое для построения более точных гидродинамических моделей и последующей их верификации. Исходя из основной цели, поставлены следующие задачи:

1. Использование теневого фонового метода для качественного и количественного изучения термической структуры жидкости вблизи границы раздела сред и сопоставление результатов с данными термографии и термозондирования.

2. Оценка влияния инерционности термопары в воздухе на искажение начального участка профиля температуры в воде при термозондировании. Экспериментальная проверка критерия подобия контактного и скрытого потоков тепла для мгновенных составляющих потоков тепла в воде и воздухе, полученных при термозондировании.

3. Исследование возможностей использования получаемых методами термографии и поверхностного засева частиц полей температур и скоростей на поверхности жидкости для разделения задачи расчёта гидродинамических параметров в воде и воздухе.

4. Экспериментальное исследование мгновенных значений температурных полей вблизи поверхности воды с помощью трех экспериментальных методов (термография, теневой фоновый метод и термозондирование) для различных жидкостей.

5. Сравнительный анализ термогидродинамики приповерхностного слоя различных жидкостей (вода, этиловый и бутиловый спирты, декан, керосин, глицерин) по результатам экспериментальных исследований.

Научная новизна работы

1. Теневой фоновый метод впервые применен для количественного анализа полей температур для выбранного набора жидкостей вблизи границы раздела сред в лабораторных условиях. Полученные данные свидетельствуют о перспективности применения данного метода как в лабораторных, так и в натурных условиях.

2. Впервые были проведены совместные измерения полей температур на поверхности слоя жидкости и внутри него с помощью тепловизора и теневого фонового метода. Результаты этих измерений хорошо согласуются и дополняют друг друга.

3. Впервые был проанализирован набор жидкостей с разными теплофизическими свойствами и проведено сравнение поверхностных термодинамических структур, возникающих на границе раздела сред.

4. Рассмотрены ограничения метода термозондирования в натурных и лабораторных условиях, связанные с показателем тепловой инерции термопары в воздухе. Предложена новая геометрия термопары, позволяющая снизить величину продавливания поверхности воды при непрерывном зондировании сверху. Проведен анализ подобия мгновенных значений скрытого и контактного потоков тепла в лабораторных условиях.

Научная и практическая ценность работы. Применение ТФМ для исследования термогидродинамики приповерхностного слоя жидкости, а также совместное использование для этих задач ТФМ и термографии позволяет значительно упростить и дополнить методы экспериментальных исследований в рассматриваемой области. Данные термографии позволяют получить необходимую информацию для разделения гидродинамической задачи в воде и в воздухе, что может быть использовано для значительного упрощения численного моделирования. Поля температур, получаемые теневым фоновым методом, могут быть использованы для верификации 2Б и ЗБ гидродинамических моделей. Определение границ применимости метода термозондирования позволяет дать рекомендации по его использованию в практических целях.

Разработана новая задача практикума для студентов на кафедре молекулярной физики: «Задача № 17. Исследование энергообмена на границе раздела «вода-воздух» с помощью теневого фонового метода», и одна из собранных для ТФМ установок используется в ней.

Полученные результаты использовались в работе по грантам РФФИ № 09-08-00961а и № 12-08-01077

Основные положения, выносимые автором на защиту

1. Выявлены условия возникновения конвекции Марангони для различных жидкостей (воды разной степени очистки, бутанола, декана, этанола, глицерина). Исследована гидродинамическая структура приповерхностного слоя в жидкости и влияние на эту структуру рэлеевского механизма, механизма Марангони и движения эластичной пленки.

2. Показана эффективность применения теневого фонового метода для количественного измерения поля температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред при различных режимах испарения и нагрева.

3. Предложена методика получения поля температур в воде вблизи границы раздела сред с помощью совместного использования теневого фонового метода и термографии поверхности, которая может являться основой для нового бесконтактного метода исследования тепломассобмена океана с атмосферой.

4. Исследована применимость разных типов граничных условий для описания границы раздела вода-воздух в режиме «эластичной поверхности».

5. Исследована структура приповерхностного слоя с использованием модифицированного датчика, позволившего увеличить пространственное разрешение температурного профиля вблизи границы раздела сред с 1 мм до 0,1 мм при термозондировании.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих общероссийских и международных конференциях: j

2 Practical Conference, Sustainable development: system analysis in ecology, (Ukraine, 1996); Первая Всероссийская конференция «Взаимодействие в системе литосфера-атмосфера-гидросфера» (Москва, 1996); Ломоносовские чтения, секция физики (Москва 2009, 2011, 2012); 2nd International Conference on Fluid Mechanics and Heat and Mass Transfer (Greece, 2011); 22nd International iL

Symposium on Transport Phenomena (Netherlands, 2011); Proc. of 15 Int. Symp. Flow Visualization, (Belarus, 2012)

Основные положения диссертации представлены в следующих публикациях

В публикациях из списка ВАК 1. Караваева Е. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю., Твердислов В. А, Хунджуа Г. Г. Натурные исследования неравновесных процессов на границе море-атмосфера, связанных с экологическими проблемами. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 1998, № 4, С. 30-33.

2. Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Натурные регистрации смены режимов тепломассообмена между морем и атмосферой в береговой зоне. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2009, № 2, С. 117-118.

3. Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Исследования смены режимов тёплой и холодной плёнки в лабораторных условиях.// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2009, № 3, С. 117-119.

4. Vinnichenko N. A., Uvarov А. V., Vetukov D. A., Plaksina Yu. Yu. Direct computation of evaporation rate at the surface of swimming pool // Proceedings of the 2nd International Conference on Fluid Mechanics and Heat and Mass Transfer. 2011. Corfu, Greece. P. 120-124.

5. Plaksina Yu. Yu., Uvarov A. V., Vinnichenko N. A., Lapshin V. B. Experimental investigation of near-surface small-scale structures at water-air interface: Background Oriented Schlieren and thermal imaging of water surface. // Russian Journal of Earth Sciences, 2012, V. 12, N 4, ES4002, (8p.); URL :http: //elpub.wdcb.ru/journals/rjes/vl2/2012ES000517/ 2012ES000517.pdf

В других публикациях

6. Karavayeva E. V, Ushakova (Plaksina) Yu. Yu, Yakovenko L. V. Dynamics of the thin sea-surface layer and its possible impact on ecology. // Sustainable development: system analysis in ecology, 2nd Practical Conference, Ukraine, 1996, P. 67-68

7. Karavayeva E. V, Ushakova (Plaksina) Yu. Yu, Yakovenko L. V. Correlation of pH, Ion fractionation coefficients and temperature gradients in the sea thin surface layer. // Annales Geophys., 1996, supp 2, V. 14., P. 446.

8. Караваева E. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г., Яковенко JI. В. Натурные исследования зависимости ионного состава тонкого поверхностного слоя моря и морского аэрозоля от градиента температуры в холодной плёнке. // Первая Всероссийская конференция

Взаимодействие в системе литосфера-атмосфера-гидросфера» Москва, 1996, С. 49.

9. Караваева Е. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю., Яковенко JI. В., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Корреляции между неравновесными физико-химическими процессами на границе раздела океан-атмосфера. Натурные исследования.// В сб.: Нелинейные явления в открытых системах М.: ГосИФТП, 1997, С.120-129.

10. Аксёнов В. Н, Хунджуа Г. Г., Демчук И. С., Плаксина Ю. Ю. Режимы тепломассообмена между океаном и атмосферой при апвеллинге// Препринт № 11. М.: МГУ, 1999

11. Андреев Е. Г., Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Аксёнов С. Н. Вертикальный профиль температуры в пограничных слоях воды и воздуха при свободной и вынужденной конвекции. // Ломоносовские чтения-2009, Москва, С. 220-221.

12. Уваров А. В., Винниченко Н. А., Плаксина Ю. Ю. Исследование энергообмена на границе раздела вода-воздух: теневой фоновый метод и численное моделирование. // Ломоносовские чтения - 2011, Москва, С. 235-237.

13. Плаксина Ю. Ю., Аксенов В. Н., Андреев Е. Г., Уваров А. В. Использование экспериментальных градиентных методов для определения потоков тепла с водной поверхности. Ломоносовские чтения - 2011. Москва, С. 224-226.

14. Vinnichenko N. A., Uvarov А. V., Plaksina Yu. Yu., Vetukov D. A. Study of evaporation from water reservoir // 22nd International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-22). 2011, Delft, Netherlands, N20 (11 p). URL: http://www.istp-22.org/proceedings/proceedings/documents/20.pdf

15. Плаксина Ю. Ю., Винниченко H. А, Лапшин В. Б., Уваров А. В. Анализ конвективного движения воды и воздуха вблизи границы раздела сред. // Ломоносовские чтения - 2012. Москва, С. 126-128.

16. Vinnichenko N. A., Uvarov A. V., Plaksina Yu. Yu. Accuracy of background oriented schlieren for different background patterns and means of reflection index reconstruction. // Proc. of 15th Int. Symp. Flow Visualization (ISFV-15), 2012, Minsk, Belarus, P. 81.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем 161 страница, в том числе 62 рисунка 3 таблицы. Список литературы содержит 110 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Плаксина, Юлия Юрьевна

Основные результаты главы 4

1. Рассмотрен вопрос о влиянии инерционности термопары в воздухе на регистрируемые профили температуры при непрерывном термозондировании. Проведены как экспериментальные измерения показателя тепловой инерции, так и теоретические расчеты с помощью стандартных инженерных формул. Показано, что показатель тепловой инерции в воздухе сильно влияет на точность температурного профиля в воздухе и в воде, особенно в условиях, когда в воздухе существует устойчивая стратификация у поверхности раздела сред, которая приводит к росту градиентов температуры в воздухе.

2. Показано, что в лабораторных условиях средние значения мгновенных потоков хорошо согласуются со средними значениями потоков тепла вычисленных с помощью простых теоретических моделей, однако отклонения мгновенных значений от средних достигают 20%.

3. Для лабораторных условий рассмотрено соотношение суммарного и контактного потоков тепла с точки зрения гипотезы Боуэна. Показано, что величины определённых градиентным методом суммарного и контактного потоков тепла согласуются с предположением о подобии скрытого и контактного потоков тепла.

4. Сравнение результатов экспериментальных исследований суммарного потока методом термозондирования со средними теоретическими значениями показывает, что, несмотря на значительные отклонения мгновенных потоков тепла от средних значений (порядка 100%), при усреднении эти результаты хорошо соответствуют друг другу для ситуации, когда температура воды выше температуры воздуха и в воздухе возникает неустойчивая стратификация. Такая ситуация полностью соответствует рассмотренной в двух предыдущих главах структуре поверхностного слоя со значительной горизонтальной пространственной дисперсией температур, потоков тепла и скоростей.

5. Метод непрерывного термозондирования с некоторыми ограничениями на параметры протяжки может использоваться для определения мгновенных потоков и последующей верификации гидродинамических моделей в натурных и лабораторных условиях при условии, что в воздухе у поверхности раздела сред создаются условия для возникновения естественной конвекции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были получены следующие результаты и выводы.

1. С помощью использования набора различных жидкостей с разными характеристиками (глицерин - вода - декан - бутиловый спирт - этиловый спирт), такими как давление насыщенных паров, коэффициент поверхностного натяжения и вязкость, было показано методом термографии поверхности, что эти свойства, в сочетании с условиями эксперимента (влажность, температура жидкости и воздуха, наличие обдува), определяют возникновение двух различных гидродинамических режимов на поверхности, связанных с существованием или отсутствием конвекции Марангони.

2. С помощью засева легких частиц на поверхность и термографии в лабораторных условиях показано, что в воде наблюдаются значительные градиенты горизонтальной скорости по вертикальной оси. Это приводит к появлению движения жидкости на глубине порядка 100 мкм при практически неподвижном верхнем слое.

3. Анализ граничных условий показал, что ни одно из применяемых граничных условий в настоящее время не может в общем случае описать структуру поверхности воды.

4. Впервые теневой фоновый метод был использован для определения полей температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред. Рассмотрены как задачи испарения, так и задачи нагрева поверхности ИК - излучением. Показано, что точность метода не хуже 0,1 °С, с разрешением по пространству 0,1- 0,5 мм. Измерения теневым фоновым методом в отдельно взятых точках совпадают в предела погрешности с измерениями термопарой.

5. Разработана методика фиксации поля температур, основанная на одновременном использовании теневого фонового метода и термографии поверхности, которая позволяет получить подробное поле температур в слое жидкости вблизи поверхности (расчеты проводились для этилового спирта и воды) и провести сравнение двух методов в слое вблизи границы. Получено полное соответствие методов.

6. Установлено, что метод термозондирования может использоваться без дополнительной корректировки профиля только при наличии неустойчивой стратификации в воздухе. С помощью модифицированного датчика температуры показано, что гипотеза Боуэна о подобии контактного и скрытого потоков тепла хорошо выполняется в лабораторных условиях для мгновенных значений, что позволяет в ряде случае существенно упростить расчеты.

7. Показано, что в натурных и лабораторных условиях дисперсия мгновенных значений потоков тепла, полученных с помощью термозондирования, достигает 100 % в натурных и 20 % в лабораторных условиях от величины эмпирических расчетов потоков тепла, получаемых из измерений температуры и влажности на разных горизонтах. Однако усредненные по времени величины находятся в хорошем соответствии, что свидетельствует о сильной неоднородности рассматриваемого поверхностного слоя.

В заключении хочу выразить благодарность своим научным руководителям профессорам Лапшину Владимиру Борисовичу и Уварову Александру Викторовичу за интересную тему, постоянное внимание и помощь. Также хочу поблагодарить сотрудников кафедры физики атмосферы Андреева Евгения Григорьевича и Аксёнова Владимира Николаевича за предоставленное оборудование и помощь в организации экспериментов с термозондированием. Благодарю всех сотрудников кафедры молекулярной физики и кафедры физики атмосферы за полученные от них знания и поддержку.

Работа выполнена с использованием оборудования, приобретённого за счёт средств Программы развития Московского университета.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Плаксина, Юлия Юрьевна, Москва

1. Katsaros К. В., Liu W. Т., Businger J. A., Tillman J. A. Heat transport and thermal structure in the interfacial boundary layer measured in an open tank of water in turbulent free convection. // J. Fluid Mech., 1977, V. 83, part 2, P. 311-335.

2. Liu W. Т., Katsaros К. В., Businger J. A. Bulk Parameterization of Air-Sea Exchanges of Heat and Water Vapor Including the Molecular Constraints at the Interface. //J. Atmos. Sci, 1979, V. 36, P.1722-1735.

3. Tanny J., Cohen S., Assouline S. et al. Evaporation from a small water reservoir: Direct measurements and estimates. // Journal of Hydrology, V. 351, 2008, P. 218- 229.

4. Караваева E. В., Ушакова Ю. Ю., Твердислов В. А, Хунджуа Г. Г. Натурные исследования неравновесных процессов на границе море-атмосфера, связанных с экологическими проблемами. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 1998, № 4. С 30-33.

5. Альтберг В. К., Попов Е. А. Некоторые результаты измерений температуры воды в поверхностных слоях и на глубинах. //Изв. ГГИ, 1934, № 67, С. 27-35.

6. Андреев Е. Г. , Хунджуа Г. Г. Теплообмен и термическая структура пограничных слоев в структуре море-атмосфера в процессе мелкомасштабного взаимодействия. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон., 1975, № 1, С. 54-59.

7. Анисимова Е. П., Белов Ю. Н., Сперанская А. А. О структуре холодной плёнки в пограничном слое вода-воздух. // Изв. АН. СССР. ФАО, 1984, т. 20, №8. С. 848-853.

8. Фёдоров К. Н., Гинзбург А. И. Приповерхностный слой океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, 303с.

9. Малевский-Малевич С. П. Особенности распределения температур в поверхностном слое воды. В кн.: Процессы переноса вблизи поверхности раздела океан-атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, С. 135-161.

10. Панин Г. Н. Тепло- и массообмен между водоёмом и атмосферой в естественных условиях. М.: Наука, 1985, 206 с.

11. Репина И. А. Исследование динамических характеристик и температурного режима водной поверхности Каспийского моря.// Метеорология и гидрология. 2000. № 9. С. 63-72.

12. Шигаев В. В., Дружинин С. Н., Лебедев В. JI. Исследование температурной поверхностной плёнки по результатам морских наблюдений. // Метеорология и гидрология, 1982, № 5, С. 75-79.

13. Шумилов А. В. и др. Процессы обмена на границе океан-атмосфера. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1973. 205 с.

14. Ewing G., McAlister Е. D. On the thermal boundary layer of the ocean. // Science, 1960, V. 131, N3410, P. 1374-1376.

15. McAlister E. D., McLeish W. Heat transfer in the top millimeter of the ocean. // J. Geophys. Res.,1969, V. 74, N 13, P. 3408-3414.

16. Grass H. The dependence of the measured cool skin of the ocean on wind stress and total heat flux. // Boundary Layer Meteorol., 1976, V. 10, N 4, P. 465-474.

17. Katsaros К. B. The aqueos thermal boundary layer. // Boundary Layer Met., 1980, V. 18, N 1, P. 107-127.

18. Saunders P. M. The temperature at the ocean-air interface. // J. Atm. Sci., 1967, V. 24, N3, P. 269-273.

19. Simpson J. J., Paulson C. A. Small-scale sea surface temperature structure. // J. Phys. Oceanogr., 1980, V. 10, N 3, P. 399-410.

20. Гинзбург А. И., Зацепин А. Г., Фёдоров К. H. Тонкая структура термического пограничного слоя в воде у поверхности раздела вода-воздух.// Изв. АН. СССР, ФАО, 1977, Т. 13, № 12, С. 1268-1277.

21. Соловьёв А. В., Вершинский Н. В. О тонкой термической структуре поверхностного слоя океана.// Доклады АН. СССР, 1978, т. 240, № 5. С. 10661069.

22. Хунджуа Г. Г., Андреев Е. Г. О механизме формирования инверсии температуры в тонком приводном слое атмосферы над морем. // ДАН СССР, 1980, т. 255, №4. С. 829-832.

23. Хунджуа Г. Г., Гусев А. М., Андреев Е. Г. и др. О структуре поверхностной холодной плёнки океана и теплообмене океана с атмосферой. // Изв. АН. СССР, ФАО, Т. 13, №7, 1977, С. 753-758.

24. Общая геофизика: учебн. пособие./ Под. ред. В. А. Магницкого. М.: Изд-воМГУ, 1995,317 с.

25. Пивоваров А. А. О влиянии проникающей в море солнечной радиации на формирование температуры воды.// Океанология, 1963, № 2. С. 213-218.

26. Пивоваров А. А., Анисимова Е. П., Букина Л. А. Суточный ход температуры воды при переменном по глубине турбулентном обмене и объёмном поглощении солнечной радиации. //Вест. Моск. ун-та, 1968, № 2. С. 123-125.

27. Ролль Г. У. Физика атмосферных процессов над морем. Л.: Гидрометеоиздат, 1968, 400 с.

28. Соловьёв А. В. Тонкая термическая структура поверхностного слоя океана в районе полигона. «ПОЛИМОДЕ-77».// Изв. АН. СССР. ФАО, 1979, т. 15, №7. С. 750-757.

29. Тимофеев М. П. Метеорологический режим водоёмов. Л.: Гидрометеоиздат, 1963, 290 с.

30. Хунджуа Г. Г. и др. Тепломассообмен атмосферы с океаном при адвективном тумане. // Препринт № 8. М.: МГУ, 1991.

31. Будников А. А. Модель образования слоя инверсии температуры в тонком приводном слое атмосферы. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон., 1982, т. 23, №4. С 83-85.

32. Взаимодействие океана с окружающей средой. Под. ред. проф. А. И. Дуванина. М.: Изд-во МГУ, 1983 г, 215 с.

33. Черноусько Ю. Л., Шумилов А. В. Испарение и микроконвекция в тонком поверхностном слое. //Океанология. 1971, Т. 11, № 6, С.982-986.

34. Монин А. С., Красицкий В. П. Явления на поверхности океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 256 с.

35. Garret W. A novel approach to evaporation control with monomolecular films. //J. Geophis. Res., 1971, vol. 76, N 21.

36. La Мег V., Healy T. Evaporation of water: its retardation by monolayers. // Science, 1965, V. 148, P. 36-41.

37. Wu J. Evaporation retardation by monolayers: another mechanism. // Science, 1971, V. 174, P. 283-285.

38. Арэ Ф. Э., Толстяков А. Д. Проникновение солнечной радиации в воду.// Метеорология и гидрология. 1969, № 6. С. 58-64.

39. Богуславский С. Г., Кузнецов А. С., Богуславский А. С, Иваненко И. К. Формирование термоклина в экваториальной зоне океанов. // Мор. гидрофиз. журн., 2004 г., № 6, С. 10-16.

40. Дера Е., Судьбин А. И., Чишек В. Поглощение солнечной энергии поверхностными слоями воды. В кн.: Взаимодействие гидросферы и литосферы в прибрежной зоне моря. София: Изд-во БАН, 1983. С. 101-110.

41. Кириллова Т. В. Радиационный режим озёр и водохранилищ. Л.: Гидрометеоиздат, 1970, 253 с.

42. Пивоваров А. А. Термика океана. М.: Изд-во МГУ, 1979, 208 с.

43. Spangenberg W.G., Rowland W.R. Convective Circulation in Water Induced by Evaporative Cooling. // Phys Fluids, 1961, V.4, N 6, P.743-750.

44. Лапшин В. Б., Будников А. А., Караваева Е. В., Панфёров М. В., Сидоренко А. В. Численные эксперименты по исследованию гравитационно-капиллярной конвекции в приповерхностном слое океана.// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2002, № 5. С 65-69.

45. Doumenc F., Boeck Т., Guerrier В., Rossi М. Transient Rayleigh-Benard-Marangoni convection due to evaporation: a linear non-normal stability analysis. // J. Fluid Mech, 2010, vol. 648, P. 521-539.

46. Иваницкий Г. Р., Деев А. А., Хижняк Е. П. Структуры на поверхности воды, наблюдаемые с помощью инфракрасной техники.// Успехи Физических Наук, 2005, Т. 175, № 11, С. 1207-1216.

47. Carlomagno G. M., Cardone G. Infrared thermography for convective heat transfer measurements.// Exp. Fluid., 2010, V. 49, P. 1187-1218.

48. Fang C., Ward C.A. Examination of the statistical rate theory expression for liquid evaporation rates. // Rhys Rev E, 1999, V. 59, N 1, P. 441-453.

49. Colinet P., Legros J. C., Velarde M. S. Nonlinear dynamics of surface-tension-driven instabilités. Wiley-VCH, 2001, 527 p.

50. Merkt D., Bestehorn M. Benard-Marangoni convection in a strongly evaporating field. // Physica D, 2003, V. 185, P. 196-208

51. Ozen O, Naraynan R. The physics of evaporative and convective instabilities in bilayer systems: linear theory. // Phys. Fluids, 2004, V. 16, P. 4644-4652.

52. Li Z. CFD Simulations for Water Evaporation and Airflow Movement in Swimming Baths // Aalborg Univ. Indoor Environmental Engineering Report for the project "Optimization of Ventilation System in Swimming Bath", 2005, 123p.

53. Nunez G. A., Sparrow E. M. Models and solutions for isothermal and non-isothermal evaporation from a partially filled tube. // In J. Heat Mass Transfer; 1988, V. 31,N3,P. 461-477.

54. Sparrow E. M, Nunez G. A. Experiments on isothermal and non-isotermal evaporation from partially filled open-topped vertical tubes. // In J. Heat Mass Transfer, 1988, V. 31, N 7, P. 1345-1355.

55. Pearson J. R. A. On convective cells induced by surface tension // J. Fluid Mech., 1958, V. 4, P. 489-500.

56. Flack K.A., Saylor J.R., Smith G.B. Near-surface turbulence for evaporative convection in the air water interface. // Phys.Fluids, 2001, V. 13, P. 3338-3345.

57. Volino R.J., Smith G.B. Use of simultaneous IR temperature measurements and DPIV to investigate thermal plumes in a thick layer cool from above. // Exp. Fluids, 1999, V. 27, P.70-78.

58. Yu L., Weller R. A., Sun B. Mean and Variability of the WHOI Daily Latent and Sensible Heat Fluxes at In Situ Flux Measurement Sites in the Atlantic Ocean // Jornal of Climate, 2003, V. 17, P. 2096-2118.

59. Wesely M. Heat transfer throught the thermal skin of a cooling pond with waves. // J. Geophys. Res., 1979, V. 84, N C7, P. 3696-3700.

60. Неронский JI. Б. Перспективы развития методов и систем радиолокационного наблюдения космического базирования. // Журнал радиоэлектроники, 2011, №11, 0421100114\0082 (23 с.) http://jre.cplire.ru/mac/nov 11/14/text.pdf

61. Minnett P. J., Smith M., Ward B. Measuriments of the oceanic thermal skin effect. // Deep-Sea Research II, 2011, V. 58, P. 861-868.

62. Jenkins A. D., Ward B. F simpl model for the short-time evolution of near-surface current and temperature profiles. //Deep-Sea Research II, 2005, V. 52, P. 1202-1214.

63. Bukhari Syed J. K., Kamran Siddiqui M. H. Turbulent structure beneath air-water interface during natural convection. // Phys. Fluids, 2006, V. 18, 035106 (11 p.)

64. Bukhari Syed J. K., Kamran Siddiqui M. H An experimental study of the airside flow structure during natural convection. // Phys.Fluids, 2008, V. 20, N122103 (11 p.).

65. Магунов А. Лазерная термометрия плазмы, газов и конденсированных сред. Часть 1.// Фотоника, 2010, Т. 3., С. 42-47.

66. Coolen М. С. J, Kief* R. N., Rindt С. С. М. et al. Application of 2-D LIF temperature measurements in water using a ND: YAG laser. // Exp.Fluids, 1999, V. 27, P. 420-426.

67. Sakakibara J., Adrian R. J. Whole field measurement of temperature in water using two-color laser induced fluorescence. // Exp.Fluids, 1999, V. 26, P. 7-15.

68. Bukhari Syed J. K., Kamran Siddiqui M. H. The structure of thermal field underneath an evaporative water surface. // Int. J. Therm. Sci., 2011, V. 50, P. 930934.

69. Carrier W.H., "The temperature of evaporation", ASHVE Trans., 1918, V. 24, P. 25-50.

70. Shah M.M. Prediction of evaporation from occupied indoor swimming pools. // Energy and Buildings, 2003, V.35, N 7. P. 707-713.

71. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса, Госэнергоиздат., 1963. 535 с.

72. Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидромеханика 2 ч. М.:Наука, 1967, 720 с.

73. Fairall С. W., Bradley Е. F., Hare J. Е. et al. Bulk parameterization of air-sea fluxes: updates and verification for the COARE algorithm. // Journal of Climate, 2003, V. 16, P. 571-591.

74. Gulev S. K., Belgaev K. Probability distribution characteristics for surface air-ser turbulent heat at fluxes over the global ocean. // Journal of Climate, 2012, V. 25, N 1, P. 184-206.

75. Bowen I.S. The Ratio of Heat Losses by Conduction and by Evaporation from any Water Surface //Phys. Rev., 1926, V. 27, P. 779-787.

76. Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Г., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. М.:Наука, 1980, 478 с.

77. Fluent 6. 2. User s Guide, Fluent Inc.: 2005, 2216 p.

78. Уваров А. В., Винниченко H. А., Плаксина Ю. Ю. Исследование энергообмена на границе раздела вода-воздух: теневой фоновый метод и численное моделирование // Ломоносовские чтения 2011. Москва. С. 235-237.

79. Гинзбург А. И., Фёдоров К. Н. Охлаждение воды с поверхности при свободной и вынужденной конвекции. // Изв. АН. СССР, ФАО, 1978, Т. 14, № 1,С. 170-178.

80. Nield D. A. Surface tension and buoyancy effects in cellular convection. // J. Fluid Mech., 1964, V. 19, P. 341-352.

81. Assenheimer M, Steinberg V. Transition between spiral and target states in Rayleigh-Benard convection. //Nature, 1994, V. 367, P. 345-347.

82. Плаксина Ю. Ю., Винниченко H. А, Лапшин В. Б., Уваров А. В. Анализ конвективного движения воды и воздуха вблизи границы раздела сред. // Ломоносовские чтения 2012. Москва, С. 126-128.

83. Физические величины. Справочник. Под ред. Григорьева И. С., Мейлихова Е. 3. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232с.

84. Touazi О., Chénier Е., Doumenc F., Guerrier В. Simulation of transient Rayleigh-Bénard-Marangoni convection induced by evaporation. //Int. J. Heat Mass Transfer, V. 53, 2010, P. 656-664

85. Лапшин В. Б. Поверхностный микрослой океана. (Физические свойства и процессы). Дисс. докт. физ-мат. наук, М., 1998, 368 с.

86. Keane R.D., Adrian R.J. Theory of cross-correlation analysis of PIV images. Appl. Sci. Res., 1992, V. 49, P. 191-215.

87. Евтихиева O.A., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография. М.:Физматлит, 2008. 176 с.

88. Meier G.E.A. Computerized background-oriented schlieren. // Experiments in Fluids, 2002, V. 33, P. 181-187.

89. Vinnichenko N. A., Uvarov A. V., Plaksina Yu. Yu. Accuracy of background oriented schlieren for different background patterns and means of reflection index reconstruction. // Proc. of 15th Int. Symp. Flow Vizualization, 2012, Minsk, Belarus, P 81.

90. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. M.: Наука, 1973.

91. Попова Е. М., Толкачёв А. В., Скорнякова Н. М. Применение фонового теневого метода для исследования естественной конвекции. Труды VII МНТК «Оптические методы исследования потоков». М.: Изд-во МЭИ, 2003, С. 126129.

92. Hale G. М. and Querry. М. R. Optical Constants of Water in the 200-nm to 200-fim Wavelength Region. // Appl. Opt., 1997 V. 12, P. 555-563.

93. Schiebener P., Straub J., Levelt Sengers J. M. H., Gallagher. Refractiv index of water and steam as function of wavelength, temperature and density. // Journal of Physical and Reference Data, 1990, V. 19, N 3, P. 677-718.

94. Плаксина Ю.Ю., Аксенов B.H., Андреев Е.Г., Уваров А.В. Использование экспериментальных градиентных методов для определенияпотоков тепла с водной поверхности. Ломоносовские чтения 2011. Москва. С. 224-226.

95. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.:Атомиздат, 1979. 416 с.

96. Farahmand К., Kaufman J. W. Experimental Measurement of Fine Thermocouple Response Time in Air. // Exp.Heat Transfer, 2001, V. 14, N 2, P. 107118.

97. Андреев E. Г. Экспериментальное исследование термических процессов вблизи границы раздела море-атмосфера. Дисс. к.ф-м.н. МГУ, физ. фак., М.: 1973, 145 с.

98. Андреев Е. Г., Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Аксёнов С. Н. Вертикальный профиль температуры в пограничных слоях воды и воздуха при свободной и вынужденной конвекции. // Ломоносовские чтения-2009. Москва, С. 220-221

99. Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Исследования смены режимов тёплой и холодной плёнки в лабораторных условиях.// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2009, № 3. С 117-119.

100. Хунджуа Г. Г., Андреев Е.Г., Аксенов В.Н. Режимы тепло- и массообмена между океаном и атмосферой. //Изв. РАН, ФАО, 1997, Т. 33, №3, С.298-303.

101. Аксёнов В. Н, Хунджуа Г. Г., Демчук И. С., Плаксина Ю. Ю. Режимы тепломассообмена между океаном и атмосферой при апвеллинге // Препринт № 11. М.: МГУ, 1999

102. Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Натурные регистрации смены режимов тепломассообмена между морем и атмосферой в береговой зоне. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2009, № 2. С 117-118.

103. Karavayeva Е. V, Ushakova Yu. Yu, Yakovenko L. V. Dynamics of the thin sea-surface layer and its possible impact on ecology. // Sustainable development: system analysis in ecology, 2nd Practical Conference, Ukraine, 1996, P. 67-68.

104. Karavayeva E. V, Ushakova Yu. Yu, Yakovenko L. V. Correlation of pH, Ion fractionation coefficients and temperature gradients in the sea thin surface layer. // Annales Geophys., 1996, supp 2, V. 14, P. 446.