Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование механизма становления свободной конвекции в охлаждающейся с поверхности жидкости

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование механизма становления свободной конвекции в охлаждающейся с поверхности жидкости"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОЕ ОБРАЗОВАНИЮ

московский ордена Ленина, октябрьской революции и

ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УШВЕРСИТЕТ

имени М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ПЕТРЕНКО' ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ

уж 532.65 : 532.529.2

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА становлений свободно.! конвекции в ОШНДАЩЕЛСЯ С ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ

04.00.22 - геофизику .

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических нау

Москва - 19Э0

Работа выполнена на кафедре физики мора и вод суши физического факультета Московского государственного ;

университета им. М.В. Ломоносова. ',■'•'

Научный руководитель: доктор физико-математических наук : A.A. Сперанская

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В.Н. Иванов ' ;

кандидат физико-математических наук, • " D.H. Белов

Ведущая организация: Институт водных проблем'АН СССР - :•

Защита состоится " 3 н У -1 I '......I99Q г, в ' -Ь чао.

на заседании Специализированного совета по геофизике / К.053,05.25 / в Московском государственном университете • им. М.В, Ломоносова по адресу: II9899, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ,

Автореферат разослан " ^ * ^ 1990 г.

ОБЩАЯ ДРЛКТЕРИСТШ РАБОТЫ

Актуальность темы.. Проблеме тепло- и массопереноса в системе вода-воздух, являющейся частью глобальной задачи взаимодействия между атмосферой и гидросферой, в последние года уделяется все большее внимание. Столь повышенный интерес к затронутой проблеме объясняется непосредственной связью еа с качес- . твом и количеством водных ресурсов на Земле и, следовательно, с задачами современной экологии,

Конвективное движение, изучению одного из аспектов которого посвящена данная работа, является определякщим механизмом обмена в системе водоем-атмосфера. По сравнению с относительно хорошо исследованной вынужденной конвекцией / см. напр. Монин, Яг лом, 1965 / некоторые особенности свободноконвективного движения остаются до сих. пор все еще мало изученными. Это в первую очередь относится к процессу, формирования конвективной неустойчивости. '

. До недавнего времени считалось, что конвективное движение в остывающей со свободной поверхности воде возникает, когда в результате молекулярного теплообмена толщина выхоложенного слоя при фиксированном перепаде температуры в, нем становится критической и создаются условия для возникновения, термогравитационной конвекции Рэлая. Однако данные ряда экспериментальных работ свидетельствуют, что механизм становления свободной конвекция в воде, остывающей с открытой поверхности, значительно ■более ■ сложен. , , ■_ , .

В силу этого несомненную актуальность, .приобретает проведение в приповерхностном слое воды при остывании ее с поверхнб-сти детального экспериментального исследования тонкой структуры полей температуры и скорости.

; Целью работы явилось изучение механизма возникновения ¡V развития свободной конвекции в аэрированной и неаэрированной воде, охдавдаадейся с открытой поверхности...Рабрта выполнена Методом ..лабораторного моделирования,, поскольку в натурных условиях осуществление исследований тахого, рода сопряжено с брль-шими трудностями, обусловленными как их технической сложностью^ так и многофакторностью природные пррцеср.оэ.ч Рри проведении ок* сперяментбв использовалась комплексная методика, с применением

тепловизионного, термографического и визуализационного, методов.

Научная новизна., На основе комплексного анализа исследований, осуществленных методами РН-ивдикаторг, термографии и термо-изображвний изучен процесс становления свободной конвекции в воде, остывающей с поверхности, при перепадах температуры шв-ду водой'и воздухом ДТ^о.>Ое

Проведенше окспериыенты позволили впервые установить, что в тонком поверхностном слое / порядка I ш / охлаждающейся со свободной поверхности чистой вода возникает, термокапиллярная конвекция Царангони. Конвекция. Марангони образуется, в первые сакувды с. момента, включения, механизма выхолаживания водной поверхности и наблюдается параллельно с возникающей позднее термогравитационной конвекцией Рэлея.. Конвекция Марангони продета- . вляе.т собой плотную упаковку микротермоконвективных вихрей,. Впервые на" экспериментальном материале показано, что термока-шшлярнач конвекция Марангони, интенсифицируя процесс выхолаживания подповерхностного слоя води, играет важную роль при формировании критической плотностной неустойчивости поверхностного слоя вода,, приводящей к развитию тёрмогравитоционной конвекции Рэлея» Впервые также показано, что в процессе становления термогравитационной конвекции Рзлея следует выделить две стадии, кагс-д&ч из которых характеризуется своим критическим значением числа Рэлея.

. Достоверность полученных результатов подтверждается боль-пил объемом полученного экспериментального материала и, что особенно вакно, обеспечивается одновременным использованием трех различных независимых и дополняющих друг друга методик исследо —что позволило вдявнть общую картину возникновения и раз-1:>"?ил свободной конвекции в воде, охлшздащей.ся' с поверхности.

, Практическая ценность,. Результаты проведе^ых. исследований позволили «а качественно новоц уровне подойти к пониманию проблем •формирования и развития «свободной конвекции н вода,, охлак-дахцойся путей испарения и теплообмена с атмосферой через свободную поверхность, Полученнуе данные послужат, дальнейшему развитию теории конвективной неустойчивости.

Апробация р'.бруь; и публикации, ¡¿стеряхш диесерталии докла -

давались на: 1У Всесоюзной научно,-технической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в решение соврегетткх проблем океанологии к гидробиологии" / Севастополь, 1989 /, Всесоюзной, конференции, "Использование спутниковой информации в , исследовании океана и атмосферы" / Звенигород, 1989 /, семинарах. к&Фвдри ¿.изики моря и вод суши аюлического факультета МГУ им, М. В. Ломоносова.

Основные результаты работы изложены в пяти публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

•Личный .вклад автора.. Автором самостоятельно отлажены все использовавЕжеся экспериментальные методики, создана экспериментальная установка, проведен и обработан большой цикл измерений,. Автор таете активно участвовал в анализе и интерпретация полученных данных. ■ ■

. Структура и объем дкссергацгаи Диссертаций. состой': яз введадкя, четырех глав, отводов к списка литератур». О^иЯ

обтли диссертации , сградщ, з топ числе рнсундев и

таблиц. Список литератур,« содвршг наименований, из них шостраншх авторов.

СОЛЕШШ РДБОТН '

Эс ззодегапт сбослотазабтсл актуальность теый диссертации» приводится перечень получениях научннх результатов, дяётсч краткое изяояенкэ содерзсшкя диссертации» "* В первой глава приводится обзор литература, поевгщенной , исследования конвективной неустойчивости з горизонтальных слоях задооста, подогреваемо?» снизу л:г5о сдерну. Рассматриваются безразмерные параметр», еяраделяизие усло~н.~ возникновения *еркохенвэ?я*а?.ч Налагается ^снетапсссггтастгаг: мэдмь процесса возтпенонегаш конвективной кеустоач;г=оггл Хо-варда 195о /, которая подкрепляется ясгаячествегщц-ми еоотноагнагга применительно к конвекции в охлелдаемом с»5р-хуглубоко« слое эддкости /РобЪвс, 1965-1926 /. Анализиру-. ется, разработанная в последний года "трехслойная «сдель струк-.' туры термического. пограничного слоя /^гаСсЬ

1952 ;

\<акьахс>б 1977 5Грачев, 1989 /..

. На основании целого, ряда исследований, рассматривается механизм отбора и эволюции устойчивых форм .конвективных течений. Большое внимание уделено работал, указывающим на существенное влияние термокапиллярного механизма /критерия Маранго-ни / на- формирование, структуры конвективного потока в относительно тонких / порядка X. мм / слоях жидкости. Рассматриваются теоретические /чБсг.'л5еи <3 Stef*n£^n<J. | 1964 ; <£а,г-сга.~ ''уВо!ГоаС , 1987 ; Ве^иПс; £ Оераь^ег-, 198.7 / и энспори-. ментальные /Ко^т^ег | ', 1986 / работы,

; где доказывается, что с уменьшением толщины, слоя жидкости кри- ■ .тический перепад .температуры, необходимый для возникновения . , т.ермоконвекцци, должен уменьшаться.. ■

Приводятся также результаты , численного моделирования процесса развития свободной конвекции в, слое однородной швдкостц, охлаждаемой сверху, не учитывающего механизм конвекции Маран-гони / Бунэ и др., 1985 /. Приведены экспериментальные данные по измерению скорости конвективного движения /бапо 1985 ; ^¡ггЦас^кт , 1987 ГПе^паг-Ь et аР» 1987 /.

• Обзор литературы показывает, что .наименее изученным' е экспериментальном плане вопросом свободной конвекции'является механизм возникновения и развития конвективной неустойчивости.

, Вторая глава, состоящая из, трех параграфов, посвящена -. описанию экспериментальной установки, аппаратуры и методик измерений, использовавшихся в работе.

Лабораторная установка представляла собой теплоизолированную емкость, выполненную из органического стекла в форме 'параллелепипеда с соотношением внутренних сторон 24 х 40 х X, 20. см. Теплоизоляционным материалом слудо слой пенопласта .• толщиной 3 си,-покрывавший дно, боковые стороны установки и* съемную стеклянную крышку. Для более надежного термсстатиро-ванкя установки от вликния^внешнего пространства по периметру ' емкости была проложена прокладка из микропористой резины. Когда установка закрывалась крышкой, эта, прокладка устраняла -зазор мехцу нижней поэорхностью съемной :-гр::аки и наруазшм краем емкости,, тем самым обеспечивая надеи!ую герметизацию

установки. Вода э сосуд няливялель до высоту 15 см, чслйяс-пкй чего между верхним краем е;.:кости и водной поверхностью оставался воздушный зазор толщиной о см. .

По комплексной методике с использование?.': тзуйяцяйционно-го, термогра.'. ическсго а тегоючизкоиногс истодов изучался механизм возникновения и развития свободной конвекции ^ охлатлет-со Сиооолной по«»»огностм "оде пр:: перепадах те»'пет\атуг"! ■ - о;:о:оке жидкость-воздух д!^ О ; 2 ; 5 ; 8 и 12°С. Для этой цели исследуемая вода отстаивалась в теплоизолированном сосуде з течение одного часа, чем достигалось температурное равновесие между водой и воздухом, заключенным в зазоре между водной поверхностью и крышкой установки. Эксперименты проводились с аэрированной .и неаэрированной водой. ■

. . , В первом параграфе описывается метод визуализации движения липкости, Поскольку изучение механизма становления нсн=е>;ц;;;г сопряжено с исследованием очзнь кйлых :соквективнкх скоростей, для ,визуальной регистрации мошн-га зозик&юзеикя и дйльне-.'шюй эзолгаии движения наиболее пригоден краситель нейтрально;! лла-чучеетн. Эткм качеством обладает РН-икд»катор сродк. 3 соответствии с цель» исследования был .шбран фенолфталеин, ибо достаточно 0.01/» содержания его в водном растворе, чтоб;: при приложении постоянного напряжения к электрода«, понеженным в эту среду, вода вблизи катода окрасилась в малиновый цвет. При такой концентрации фенолфталеина физико-химические свойства *юды практически не меняются /СЬеС^^к ко-п{а. , 1987 I. ■

Катод - спиралевидный датчик диаметром 0.5 см -••распола-, гался на водной поверхности, анод - на дне сосуда. В "результате локального"изменения РН-среды в поверхностном слое образуется пятно однородно окрашенной жидкости. Через некоторое времр после отключения напряжения, когда температура окрашенного пятна практически не отличалась от температуры основной массы'йо-• ды, крьадка с установки снималась и проводилось £отогра;ироч<шие зодной поверхности и тонкого подповерхностного слоя жидкости. ; ■ ■ Во, втором параграфе, описан термографический метод, когда > с" помощь» гирлянды термодатчиков исследовалось изменение во врй-

пени вертикального распределения температуры в поверхностном слое гладкости. Тершсторы МТ-6,7 с диаметром измерительного эле- •■ мента O.I мм располагались jia фиксированных горизонтах 0 ; О.б» 1.2; 2.3 и 3.2 ш от свободной поверхности охлаадади^ йся воды. Мощность, рассеиваемая одним термистором, не превышала Г ккВт, поэтому он не вносил возмущений в поле температуры соседних термодатчиков, игнорировал динамические флуктуации жидкости и реагировал только на колебания температуры. Тершсторы включались в мосты постоянного тока,:сигналы разбаланса которых, уон- ■ 1 ленные с помощью У1ТГ Топаз - 3 - 01, подавались на пшейфовый осциллограф H-II7. Максимальная чувствительность , метода срс- , ' тавляла 0.002°С на I мм ленты самописца.

Запись показаний термисторов.включалась за 30 с до снятия крышки с установки. Это позволяло, убедиться в температурной од- / породности исходного состояния исследуемого поверхностного слоя жидкости. Полное'время регистрации температуры не превышало 10 мин. По окончании каздого эксперимента проводилась тарировка термодатчиков. Привязка к абсолютным значениям «температуры осуществлялась по ртутному .термометру с ценой деления

0.01?с. . ' . • .

В третьем параграфе приводится, описание тепловизионной ме-" тодики, применявшейся с целью исследования .трансформации доля ,-.' температуры водной поверхности в условиях становления и разви- -тия свободной конвекции,. •

Использованный в ваших исследованиях тепловизор ASA 680LW . представляет собой систему ¡¡фазирования. термоизображений р реальном масштабе, чрамени, работающую в диапазоне длин волн V -12 wku, что позволяет измерять эффективное излучение слоя воды ' толщиной а 10 ккм.

Тепловизионное записывающее устройство включалось одновре- ■ -канн о с удалением кршки с установки.. Запись тьрмоизображений . проводилась с частотой О.б Гц. -Дня всех исследованных режимов било отснято по 100 кадров.

Статистическая обработка термоизображений позволилаполу- ~ ' чмть гистограммы распределения.поля температуры водной поверх-.' ' кости с пространственным разрешением в 0.5 щ и кувствитель- • посты; 0.01сС, а таете мгновенные значения пульсаций темпера-

. туры эдоль одного, температурного среза для каждого кадра.

розулътптч нзучопшт поло" г^мип-рагуг"! и скорости а ирпло'-орхкостноц слег ведц / ссхзагой

г.' /, ост;:т<ч;-1 -с;:.; : ;;с: тс-::лоо;::"'";п.ч- с чт-

--^'.': о '.••^^"'■^.тни •.

осуществленного методами тепловидения, термографии и визуали- ' •

первом параграфе, свидетельствует, что при перепадах'температуры з системе вода-БОздухйТ^аОТ 0°С до 12°С, что соответствовало перепаду температуры к.'аду основной массой воды и ее поверхностью дТ^ от 0.1°С до-2,2°С, в приповерхностном слое воды с момента начала ее охлаждения. возникает система микротер-моконвективных ячеек, 'характеризующихся некоторым средним ли-

с ; г. .■.:•'.•: "Ос1.:.!!•:■: '„-;..::■'•_

колю^чг.тг, тс г:гоучачч:-: ~пту>, обр^во?; ~г.:пг:;п;н г: совпадут. Из геенн:-;;-; -> I д-гпкг;-; .¡';ч>

!-:;:;'; горизонталыал размер I, ячеек, наолкдземнх на кзобр?:;;ош*лх поля температуры водной поверхности,, растет с уменьшением перепада температур.'

поля еетроотн н г.р;и:п^орчнсс~нс:: 'оо;;,;;.

выполненная методом РН-индикатора, также показала, что в пар-вые секунды с момента снятия крыши с установки первоначально однородно окрашенное пятно распадается на систему плотно упя>-ковашшх 5 - 7-гокальныч' / ркс„ с /. ^ерл

.и характерная лине?.нь\1 размер. конззкткзшэ: .одоцентод.иа торна-язображениях и изображениях «одно:: поворхностк,з«зу:л покр^мм-ноЛ с помощью ч'екол-талепна, совпадают.

! Время ¡Томирования вггяэдгсдаой ячеистой структуры микротер-'' ,,,'моконвекдии зависит от величин» лТ««и в описпвеемк'х сга^ах ':,:длптся о.т долой секунда.до двух секунд. Возникнув, г!лотуиа-* ковка г/л^отерггоггенчокти^кх ячеея су"ост?>у?г

. • л - 8 ~ ' • . "

идет эксперимент / длительность отдельных опытов достигала нескольких часов/.

Замечено также, что скорость становления микротермоконвек-ции зависит от степени аэрированности воды и растет с увеличением последней., Степень, аэрации роды в установке учитывалась , косвенно и характеризовалась временем отстоя ее после забора : ;*■ из водопроводной сети. .

; - Анализ экспериментального материала позволил представить возникновение, ¡¿икротермоконвективных. ячеек ,в приповерхностном' слое воды при ее .охлаждении со свободной поверхности следующим . образом. . ..

С начала охлаждения водной, поверхности на ней возникают пульсации температуры, наведенные в результате контактного те- Л плообмена с приводным слоем воздуха,, .где температурные флукту- .: ации появляются первоначально. Это приводит к образованию на поверхности воды участков, имеющих различную температуру, между которыми за счет, действия сил поверхностного натяжения воз- , никает движение воды от более нагретых областей к менее натре-.' тым. При растекании теплого пятна-в его центральной .области возникает компенсационный, подъем воды, с некоторого подповерхност- ; • ного уровня, что приводит к увеличению перепада температуры мв-зду центром пятна и его периферией.. В результате участки с от-' носительно низкой температурой сжимаются, превращаясь в линии-конвергенции ячеистого рисунка, которые окантуривают области с относительно высокой температурой. Очевидно, что размеры ячеек . конвективного узора задаются характерным линейным масштабом. у температурных неоднородности на поверхности воды. Пример таких , ячеек представлен на фотографиях поля температуры / рис. 3 / и • поля скорости / рис. 2 /, где относительно холодной воде соответствуют темные области, а более теплой - светлые. • ;

В областях пересечения линий конвергенции скашшндется с?- / носительно более холодная вода'и здесь лее будет икать место, иа-кскмальная кривизна водной поверхности, т.е. поверхность вода • . будег как би вспучиваться, Именно в ягой области непосредствен-*: ^ ко под водной поверхностью будет максимальным и локапьннй вер-гикальмиП перепад температуры. В момент, когда в точке схогдешш

. линий конвергенции возвышение водной поверхности и вертикальный перепад температуры достигнут критического значения, г этой об. ласти образуется нисходящая струйка холодной воды - вихревой сток. Отсюда возникает понятие о некоторой критической гидродинамической неустойчивости, обеспечивающей циркуляцию в'ода в • ячейке микротермоконвекции.. При этом отток охлажденной жидкости с поверхности через вихревые стоки происходит не непрерывно, а ' кзазипериодически.

Образовавшийся, вихревой .сток втягивает в себя холодную воду с прилегающих участков водной поверхности, в результате чего образуется конвективная ячвйка с нисходящим движением в ;*чн-тре / рис. 4 /.

. . Для выяснения источника появления, первых флуктуаций температуры на .водной поверхности была поставлена серия экспериментов, в которых осуществлялась синхроннач запись температуры сперза на 5 горизонтах в приводном слое воздуха, начиная.от поверхности воды и до высоты Зо2 мм4 а затем на 3 горизонтах: на высоте 0.5 мм. от уровня воды,, непосредственно на водкой поверхности и на глубине 0.5 мм под поверхностью вода. Из полученных термограмм видно, что'характер колебаний температуры в приводном слое воздуха и на водной поверхности идентичен„ Однакс пульсации'температуры в воздухе возникают несколько раньше„чем на водной поверхности. Амплитуда температурных флуктуаций в воздухе на высоте 0.5 мм почти в Z раза больше, чем на водной поверхности и примерно в 7 раз превышает амплитуду колебаний температуры в воде., на глубине. 0.5 мм.. В-приводном слое воздуха ¡величина амплитуды температурных колебаний растет, с удалением от водной поверхности. Это хорошо согласуется с-результатами работы / Анисимова и др.1933 /, где приводятся вертикальные профили дисперсий пульсаций температуры в приводам слое зоздука . в условиях свободной конвекции. Последние ха, ¿теризугтся чдли-чием максимума, расположенного на высоте 2.-3 мм от граниту: раздела вода-воздух.

.; , Совместный анализ, термограмм, термоизображений водной 'поверхности и данных визуализации поля скорости в тонком лрг.та- ■ ..верхностном слое зоды позволил определить для яоняретат: -н.мче-

ний пера пода дТ^в фиксированные моменты времени следующие величины: период возникающей неустойчивости Т ■ , перепад темпера. туры в отдельно взятой ячейке аЬ и горизонтальные размеры ^ отдельных микротермононвективных ячеек.

. Согласно анализу термограш средний период и средняя . амплитуда д£ пульсаций температуры, возникающих на водной поверхности с начала ее охлаждения, определяются величиной аТ^я / см. табл. I /.

1 Поскольку в термографическом методе термодатчики располагались на фиксированных горизонтах, то напрямую возможно было . измерять только приблизительный диапазон глубин Ъ и^м залегания микротермононвективных ячеек в зависимости от перепада дТад / см. табл. I /. Для более точного определения величины вертикального масштаба можно воспользоваться соотношением между длиной волны возмущения Ь. и глубиной жидкости 'о , охваченной • этим возмущением /£саИ&>к? íeцe¿ , 1957 / :

/I/ *

Кроме того, величина- о может быть оценена по предложенной в . работе / Герщуни, Куховицкий, 1°72- / зависимости для глубины ■ .проникновения колебаний температурной вйлны в жидкость:

Ъ - V 2 ояг / 2 /

где ¡X - коэффициент температуропроводности воды.

Была выполнена прочерка применимости формул У I / и / 2 / к полученным экспериментальным материала*!. В пределах точности измерений совпадение расчетных и изжаренных величин оказалось хорошим. При различных^иксирозанных перепадах температуры дТу/5 сравнивались значения Ь , порченные непосредственно из окспе-•• даентов с использованием тешховизионного метода, со значениями , найденными по ф ормуле: • ,

_ г^МТ^с /з/

Для Еедичин Ь и I коэффициент корреляции равен 0.99 / см. табл. I /. - • -

Так».! образом, .вертикальные и горизонтальнее размеры ячеек-ыикротермоконвекции, возникавших при выхолаживании «одной поверхности я тонком I и/. / поверхностно: слое воде, могут , -

бить рассчитаны по ;ормуяом 12 1 к / 3 /. — ~

Но известным из эксперимента челич:::»»! -С r.pr *-с—

• ,n«Hft сценка кгктеркального 'П'Ълп^. .ар_?лго:ш Мз. г

где jM - динамическая вязкость воды, - термический ко";.-

Осреднение величин At и t проводилось как по времени, .так и по ансамбли первых флуктуации температуры на водно-,; поверхности. Расчет числа Марангони, проведешшл с использованием обоих методов осреднения, совпал.

, Число Марангони, рассчитанное для минимального исследовавшегося перепададТ^а 0.1°С, составило 4В - 2, т.е. совпало с • найденным по линейной теории устойчивости критическим значение:.; числа ?.Гпронгсни для реакиэо.чазшлм в - гг~-ничк-'й у слов;:-1.: Mo. <* -В //VtsiJ , 1975 /., i.r.i :ич л'1-Vi значение числа Mft прв'импаот г.ту гслн';и:;у и ¡.'.cv-i с \\. .■.■ ■

Скспйрздентаяьдо* даннь-з позволили такт.с о::рс.п;л;:::.. Рзл-л, которое, как , для моментов "о/:

:«дзб;\н;:;: гьмпзратуры на •repe.'orpw.K«*С:хп.с ::ер!:::;'а е.:.

Та:;::м сбраэом, удглссь пог.'-'чть, ч;о ;-т,н '.г;,

формирующаяся в миллиметровом поверхностном слое остываю;:;:?;! с открмтоЯ поверхности воду, является пион Марангсни,

¿о ьтором параграфе третьей главы на экспериментальном материале показано, что плотная упаковка терлокопглляршдс дчеек конвекции Марангони в приповерхностном слое остк1>аг;:;сЛ vc;^: мге;: рассматриваться как ,1ильтру;т;нЛ слсЛ / Ксзгк.'/;:.:, I. л :-оэ, 19;:;9 /'. Гто свойство термохап>:лл."рксй .<аг-?;.- • : зать существенное влияние на процесс рас?ека!П'-я г.о по-

верхности загрязняющих веществ / рис. 5 /.

3 четвертой глаье изложены результаты исследовании! прецее,-. са развития термограгитационноЯ неустойчивости, в псякочсрзюс?» , " ном слое воды, осткэаюгцей вследствие испарения- и 1сплойб.чена с атмосферой,

3 перлом параграфе анилиг'ируэтея данный жедедожакм* .ивто-

- .12'-г

дом визуализации процесса становления и трансформации во..време- ,. ни поля конвективных скоростей в приповерхностном слое остывающей воды. Как уже отмечалось в гл. 3, в областях пересечения . линий конвергенции вблизи водной поверхности скапливается отно-1' сительно холодная вода и холодные струйки квазипериодически. . '■ опускаются вниз, останавливаясь под .нижней границей термокапиллярных ячеек Марангони, Здесь, охлажденная, вода собирается в капли, которые со временем растут и соединяются друг с другом ; перемычками, образуя систему трубопроводов мозаичной, конфигура- • ции, По мере скопления в трубопроводах охлажденной вода они : приобретают все более насыщенный малиновый цвет, а просветы , между ними обесцвечиваются. При этом непосредственно под нижней границей микротермоконвективных ячеек, как это видно на осред-недшх профилях темпера,туры / см, рис. б. /, образуется.слой жидкости, характеризующийся более низкой температурой. . .

С ростом плотностной неустойчивости на нижней поверхности ' трубопроводов в узловых точках соединения смежных ячеек появляются бугорки диаметром 2 мм, которые вытягиваются и приобретают форму "колбочек".'. Когда плотностная неустойчивость выхоложенного слоя достигает своего критического состояния, "колбочки" ' -~~в-©здад£ных элементах мозаичной структуры отрываются, и падаит . вниз, образуя гермйки / рис. 8а/>. Довольно быстро процесс трансформации бугорков в терлики приобретает, лавинообразный харан- * тер и они почти одновременно покидает, узлы, решетки мозаичной . структуры, образуя как бы "дождь" термико.в / рис. 86/. ,

Благодаря системе трубопроводов, осуществляется практически однородное выхолаживание приповерхностного слоя воды, в результате чего процесс, зарождения-тг образования. первых терми-ков происходит почти одновременно во,всей мозаичной структуре, • расположенной под ячейками Марангони.

Обнаружено также,; что с,. увеличением^уменьшается'как;.. интервал времени от моменту начала' выхолаживания водной, цоверх-, ности до образования, первых Т)Врыикор, так к глубина проникноБе-ная .последних. . ■'■•.':•;. ;■.•■'.. ,.'■' "I ;

' Г Во втором параграфе приводятся результаты' анализа термо-изобрахений остывающей водной.поверхности и поля скорости в-.-

подповерхностном слое яоды, Эта даншо сопоставляются с вывода- -ш предыдущего параграфа.

,, -Как доказали данные тепловизионного метода для всех исследованных режимов / исключение составляет перепад дТ^а.= 0°С / в первые секунды с начала, охлаждения, вода н&блвдается близкое к экспоненциальному закону понижение осредненной по площади .температуры водной - поверхности Тс В. этот период на поверхности воды прослеживается только ячейки, термокалиллярной конвекции Марангони., ¡Достижение функцией Т\ (Ч) своего первого минимуму соответствует выпадению отдельных термиков из охлккденного подповерхностного слоя воды. При этом на термоизображениях вЬдной поверхности помимо, ячеек конвекции Марангони появляется (Цабо выраженная мозаичная структура, состоящая из элементов • различной формы и размеров, / рис, 7а/, перепад температуры внутри которых составляет 0.2 - 0.3°С. По мере стремительного увеличения количества образующиеся термиков происходит рост температуры Тд , а на термоизображениях Поверхности воды возникают чеуко выраженные ячейки крупномасштабной конвекции / рис. 76 /. Перепад темпера_турУ в этих ячейках имеет порядок 0.5°С., Достижение функцией Tz (яг) относительного макс1шума соответствует прекращению "дождя" термиков.

На протяжении всех опытов мелкомасштабные пульсации температуры,' свойственные термокалиллярной конвекции Марангони, существуют на фоне развивающихся в подповерхностном слое волы го-лее длшдаопериодних флуктуаций температуря.

, В третьем параграфе на основу анализа термограмм определяются значения числа Рэлея, в процессе,.становления свободнокон~;ек-тивног о. движения. . . V .

Ес.та з классической ¿орхуле для расчета числа Рзлея в качестве масштаба длины выбрать приведенную толщину "холодно;1, пленки", а за масштаб температуры ваять• перепад температур:, г.п-аду основной кассой воды и ее поверкнеегью й Tivs/Kat&srusr.t af, Г377/s ?о для определений; .числа Р&яея в различные иоивцги становления свободноконвекткзного движения можно поегчмъзоштьм

где - ускорение силы тякести, р - термический коэф^ицн-ент объемного расширения воды,^ - кинематическая вязкость,' ^/¿ъ градиент температуры, определяемый по разности

показан«;; Д'пгх термкеторов, один из которых располагался на водно;! поверхности, а второй - на глубше 0.5 мм, т.е. на границах слоя у.олек-улярной теплопроводности / Гинзбург и др., 1977 /. •

Результаты анализа термограмм и трансформации поля скорос-•ти позволяют достаточно четко фиксировать момент потери плот-ностной устойчивости шхолоионного подповерхностного слоя воды, указывающий на начало развития термогразитш+юнной конвекции и характеризующийся образованием лишь отдельных термиков, Расчет числа Рэлея для этого момента По формуле / 5 / дал значение 385, которое хорошо совпадает с критически!.! числом Рэлея для слоя явдкости с двумя свободными границами / Гергг/ни, Шуховиц-кий, 197(2 ;/V)еёс! , 1975 /, Этот результат поззоляет предположить, что процесс развития термогразнташгонной конвекции в приповерхностном слое вода, охлагдакщейся в результате испарения и теплообмена с воздухом, до момента образования первых терминов происходит как в слое, с двумя свободными границами.

ТГмомента выпадения "дождя" термиков в экспериментальной "л.:-;ости развивается крупномасштабная термогравитационная конвекция, которая охчатнвает всю глубину жидкости в установке. Это конвективное дше^ение уже следует рассматривать как конвекции в слое, одна из границ которого свободная / поверхность раздела вода-воздух /, а вторая - твердая / дно установки /. Для этих граничных условий критическое значение числа Рэлея К а чр= 1100 / Ландау, Ли^елщ, 1988 /. Расчет числа Рэлея по термограммам . в моменты, когда толщина охлажденного слоя вблизи водной поверхности достигала в точке измерений максимального значения, дал

. П05. ■ : • . •

Таким образом, проведенные экспериментальные исследований показывают, что термокапиллярная конвекция Марангони, возникающая в тонком приповерхностном слое водк, остг.ващей со свободной поверхности, является механизмом*. ускоряют;»».? ¿ормотошше ?ер«ограэитаиионно8 неустойчивости, прнзддеде^ к-.круг»?-яоиаезта&юй конвекции Рэляя.,.'.' V •

' В заключении диссертации .сформулированы основше результа-, ты работы,

,.„-•-.-■ ">: 1.. На основе одновременного использования таких независимых методов исследования как визуализация поля скорости / РН-.. . .индикатор /, термография, приповерхностного сдоя «оды и виз;'али-. '- - зация поля температуры водной-поверхности исследован процесс становления.свободной конвекиии в воде, охла*д1Чощейся с повер*-. ности в результате испарения и теплообмена с воздухом,

2. Впервые экспериментально, показано,, что в тонкой припо-• верхностном слое, остывеадей воды существует термокапиллярная конвекция--Марадгони.

'3. Конвекция Марангони образуется в перше секунды с ыомен-; та включения механизма выхолаживания и наблюдается параллельно < о возникающей позднее термогвавитационной конвекцией Ролея.

4, Экспериментально определены физические impanel им коиьвк-•ции Марангони э воле и зависимость этих параметров от пенят л» температуры в система вода-ооздух.

5. Выявлена роль конвекции Марангони в Фор&ш'очниии i-ow.o-гоачитационной конвекции Рмья,

б-. Обнаружено, что в охлатаиуодойск с очкшгой пьесок«?.! ■zone термогоавитационная неустойчивость poíimühvivp и ¡".н runa, для каждого из которых оксцомшенгшшю оно.;- i.>- .-[ ческие значения, чисел; Ролед,. ■' По тема дисссртзди'и опубликоэйШ с лед va ;nt¡ i¿.tb,:> t

I, Анисккова Е.Д.» Петренко íí,¡],, Спсгшскьч A.A. -j ... . , низме становления конвективного, движения в системе вода-ьоодух, ,Тез. докл. Всес. конф. "Использование спутниковой информации и исследовании,океана и атмосферу",. - Н., 19,89, с.78,

2» ¿нисимова Е.Ц., Сперанская A.A., Летрешо »'..В, У.сс-г-анг.е процесса становления 'свободноконвектишюго з ¡¡;.

■' -поверхностном слое водоема.• Тез. докл. Г/ Всес. н.-те-хл. . "Вклад молодых учеш:х и специалистов в репе»шо gohi-www?: ;.• . • Олем океанологии и гидробиологии",_ ч.1, Севастополь, 1935. с.12.* '.' , 3.,Петренко К.В. Кое-что, о конвекции ¿'лсенгони па поверх-• .' " ности воды. Тез. -докл. 1У Зсес. н.-техн. ' коп.?-. "Вн-лад-ма^о.ты?; . учоннх 5? специалистов в реаэпхф современная'-проблей онезна^ог^и

и гидробиологии", ч,2, Севастополь,. 1989, с.27.

4. Анксдаова Е.П.. Петренко И.В.., Сперанская A.A. О меха-, низке становления конвективного движения на границе раздела вода-воздух. Деп. ЗШИТИ АН СССР КЗ 4374 - В 90.- М., МГУ, 1990, II с. , '

5. Анисимова Е.П., Петренко И.В., Сперанская A.A. Экспериментальное исследование механизма становления свободной конвекции в воде, охлаждающейся с поверхности. Препринт физического [-та MIT, 1990, К? 9/1990, с.14 - 19.

ГТР1'Л(Ж51НЖ

'•V "л» '«».г ■,;..1):'>\'.:.»!л> ' ' ' '

г ■■-ЬУУ > V г..; ¿V Г'

;Рис• I. Поле температуры водной поверхности в начале ее охлшздония

.* г. | \

г. 1- М

I с^.

-

I'

см.

<

Поли СКОСОСМИ' припон^ркностного Рис.Я, сло.ч ■»од!: ч качали -его о^ла*:- г&и-ту,'.

"га

йЙЧ I г

'-Л « -Л/

■)схо.

<-■ viv.il ¡г

Рис.4. Визуализация'поля скорости / а / и поля температура / б / конвективных ячеек с нисходящим движением в центре.

ч О \ » ' „I „

- > ч ' : >■ , ;

,-я ' ' Я> А ■*■ и' ' , "

а \ а.!.«» «О

Рис,5,

V. 1

. К* V» у/«*! I ЪС^'гсч-ч^

Поле схсрэстк !7р!',' -Iи.тьс'рй.'ГКО.'исЗ :; 'пскпоперхмостнсм слое остк-а^о-п ьо-к."'

ЩШШ? -г^?-*:

ч.

• •^'■пГ'Л??'>

♦ V» * » -

. Г*' .Г

Г

' < >

•х-.:

• -л:

Л »

ШЩ

- 'Ы V

«л^Лй.'»"

.... .л,»? v.

(&/Ч

б/

Рас. - 7. 2оя:е 7еияера?зрэ; всдзз£ Еоверхносга

серед кшаазагш "доадя* теригкев / а / и з момент ндадезая "дождя" тержков / б /.

Ряс. 6, середшкяой температуры

- в 2%2тверхввет8Ш слое остывающей вода.

00

1

Ь V

/С^

а/

" " ; »"Ж*" 5***".' ЧСТ1 Т

I «хм

ль*-. •-<

б/

Гео,. 8, Поле тшсктишшх скоростей подповерхностного слоя вода йеред вввадешем "дэдя" термяков / а / я в коиекг йшэдевзая "ясвдГ ёвршков / б /.

ТАБЛИЦА I

^ 1 WU f ^ «. • 0 0 * о А 2 • 5 « Ö 12 •

• л » /\ i ЧА/Г« , " Í » i i, ( ■ • » • •■V-i • 0.4 * 0,6 • » ; ' , H !

: ^ю"3 : 5 8 • 15 23 • 37 « 55 1 66 •

\ ■ L » 6.5 5.7 « • • 5.3 • • 5.0 в 4.5 : 4.Х " 3.9 « «

j ¿ . мл] б.З • 5.9 • 5,2 5.1 • 4.3 * 4.0 !3,7 —Г

. г; —f "Т Т 0 „i. 2.3 -1. 1 (• * "-Í- i «V-- «>

Î .0 0.8 0.8 0.7 0.6 0 * G

0 - Í 2 » Г ) - 0,7