Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование вихревых колец применительно к зондированию пограничного слоя атмосферы

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование вихревых колец применительно к зондированию пограничного слоя атмосферы"

РГб од

/. 7 ? ! ' 'Гпг>,

5 ' I "

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ Ш ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУШВЕЯ СРЕДЫ РОСГИДРОМЕТ

НАУЧНО - ПР0ИЗВ0ДСТ ВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ТАЙФУН"

о*

11а правах рукописи

Русаков Юрий Самадович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ КОЛЕЦ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЭОЦШ-ТОВДК^Ю ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

(04. 00. 22 - геофизика^

Автореферат диссертации нн <;оиекЕши<? ученой степени кандиднча Лх>ико- математических наук

Ссио!'лтель /у<,<у/ /

ООникук - К-93

Работа выполнена в Институте экспериментальной метеорологии НПО "Тайфун".

1пучнь<й руководитель - кандидат физико-математических наук, > старший научный сотрудник

Коровин К Я.

Официальные оппоненты: доетор физико-математических наук, профессор Иванов Ь II, кандидат физико-китеыатическмх наук, старший научный сотрудник Петенко И. В.

Ведущая организация: Институт механики ЫГУ

Защита состоится "¡(^ " июня 1993г. в 14 час. на заседании специализированного совета К 02-1.07. 01 в 1Ш0 "Тайфун" но адресу: 243020, г. Обнинск, Калужской области, пр. Ленина, 02. О диссертацией моию ознакомиться в библиотеке ШС "Тайфун".

Автореферат разослан мая 1993г.

Ученый секретарь ,

о - ''

специализированного совета /т. , 'j Корпусов Е. IL

(V - . у^/у

- о -

Общая характеристика работы

Актуальность теми. Вихревые кольиа - классический объект исследования гидрсдикаишш. Начинал с работ Гельмгольца и вплоть до изучения когерентных структур в современных исследованиях,им отводится особая роль в механике жидкости и газа. Еместе с тем, необычные свойства вихревого гальца, например: перемещение на большие расстояния, устойчивость формы, способность переносить примесь с малыми потерями и т.д. могут быть использованы на практике. Этим обусловлена перспективность прикладных исследований вихревых колец. К настоящему времени известии предложения по применению вихревых колец для доставки реагента в сблака и туманы /3,2/. удаления газообразных отходов из промышленных труб /3,4/, тушения пожаров на гззонефгяных екзаотнах /5/, измерения метеспараштроз в атмеферэ /0/. Следует ожидать, что перечень возмож!ых приложений вихреЕого кольца расширится.

До последнего времени исследования вихревых колец имели в основном академический характер и проводились, гак праЕИЛо, в лабораторных условиях в спокойной однородной средэ. В настоящей работе направления, объем л ьйтоды исследований определялись практическими потребностями. В диссертации расскютрены вопроси ■(Нормирования вихревых колщ, дюемихя их движения и разрушения в реальной атмосфере, что ваяно для ре пенил различных прикладных задач. Вместе с тем, наибольшее развитие в диссертации получила проблема намерения метеапараметров (ветра, температуры, влажности) в нижних слоях апгасферы с поющь» вихревых колец. Эта проблема остается актуальней, тек как наиболее перспективный в настоящее в реки метод ее,ж,четного акустического и радиоакустического зонд1фсеания ветча и температуры и атмосфере /7,8/ неработоспособен либо инзет сер^-пт-; ограничения па вы-

соту зондирования и оперативность в ряде типичных ситуашп' например, при слабой отражательной способности атмосферы, щ повышенном уровне акустических шумов, при умеренных и сильнь сдвигах Евтра.

Физической основой недостатков указанного метода являете слабость взаимодействия акустической волны с атмосферными нео; нородностями естественного происхождения и радиоволны с акус тическим волновым пакетом, а также слабая зависимость частот отраженного пакетом радиоизлучения от температуры в атмосфер 3 предлагаемом методе пихреакустического зондирования атмос феры в ней создается искусственная неоднородность в форм вихревого колщз, что обеспечивает интенсивный акустический -сигнал при локации вихря, траектория которого зависит от ско рости и направления ветра. Кроме того, особенности массообмен вихревого-кольца со стратифицированной средой делают возможны восстановление профиля температуры в атмосфере по моизюсти эхо сигнала от вихря. Таким образом преодолевается ряд ограничени: на область применимости систем акустического зондирования пограничного слоя атмосферы.

Конечная цель диссертации - разработка физически основ и доказательство принципиальной возможности измерения котеопэр/:-метров в нижней части пограничного слоя атмосферы путем акустической локации поднимающегося ряхреаого кольца. Указанная цел! обусловила решение следующих основных задач, имеющих самостоятельное научно-практическое значение:

1) создание генератора для формирования устойчивых вихрей боль-иих размерив (диаметром порядка 1м и более); 21 исследование влияния метеоусловий на динамику движения и высоту погл-емч вихг- ьогс кольца в атмосфере;

Г, определение высотных профилей нзтеовеличин (ветра,температу-)ы, влажности) по характеристикам отраженного от вихря акусти-геского волнового пакета, Последнее, в свою очередь, потребова-то дополнительных исследований внутренней структуры вихревого :ольца н разработки модели рассеяния им акустических волн.

Наушая новизна работы отражена в ее результатах и главным >бразом заключается в следующем:

■ определены физические основы проектирования наземного генератора для создания устойчивых вихревых колец в атмосфере;

• разработана модель движения и разрушения вихревого кольиа Б :урбулентной стратифицированной среде, подтверждаемая экспериментом в широком диапаг^не входных параметров;

■ проведены эксперименты по акустичесгай эхо-локации вихревого сольца, результаты которых объяснены с помопаш разработанной ,юдели рассеяния акустических 'волн на неодпородностях вихря;

■ предложи метод зихреакустического зондирования атмосферы н доказана его принципиальная реализуемость.

Научное значение работы определяется новыми экспериментальна«! данным! о ("армировании турбулентного вихревого кольца и зго внутренней структуре, иассообмене с окружающей средой, пе-ченосе аэрозольной примеси, влиянии метеоусловий на динамику и зазрушение вихря, рассеянии акустических волн на его неоднород-тостях. Предлагаемая модель движения вихревого гальца в турбулентной стратифицированной среде позволяет объяснить ряд непо-штных ранее эффектов при движении вихря в слабо неоднородна зредах. В частном случае однородной спокойной среды эта модель согласуется с установленным ранее законом движения вихревого гальца /9/. Шдель рассеяния акустических волн вихревым кольцом .юлэт быть использована при объяснении феномена "ангел-эхо" при

- б -

• радиолокации безоблачной атшсфери /10/.

Практическое значение порученных результатов состоит в ьоз-шмюсти измерения ряда метеовеличпн новым ыатсдом, существенно ргешнряющкы область применимости акустических систем зондирования атмосферы, например, для восстановления профиля температуры в ней, либо для определения сдвига ьетра в условиях повышенных акустических шуюв 1Ш1 при слабой отражательной способности атмосферы и т.д. Прспеденные в работе исследования имеет первостепенное значение не только для вихреакустического зондирования атмосферы, но и при решении друга:" прикладных задач с использованием вихревых колец. На защиту выносятся:

1. Физические основы проектирования генератора для создания устойчивых вихревых колец в пограничном слое атмосферы и полевой гелератор вихревых колец.

2. Модель движения и разрушения вихревого кольца в турбулентной стратифицированной среде и экспериментальные результаты исследования динамики вихревых колец в реальней атмосфере.

3. -Модель рассеяния акустических волн на неоднородностях Еихре-вого кольца при его мзностатической зхо-локации и экспериментальное результаты исследования характеристик эхо-сигнала от поднимаю,'кэгося в атмосфере вихря.

4. Физические основы метода вихреакустического зондирования атмосферы, вюшчащего способы определен;« скорости и направления ветра, температуры, влажности и оценки скорости диссипации турбулентной энергии по трассе подъема вихря.

5. Экспериментальное обоснование принципиальной возможности .реализации .метода вихреакустического зондирования атмосферы.

Апробация работ. Основные материалы диссертации дошадава-

лись на Всесоюзной конференции по прикладным аспектам турбулентной диффузии в приземном и пограничном слоях атмосферы (Обнинск, 1981г.), "III и IX Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1984г., Туапсе, 1986г. ), Y Всесоюзной школе молодых учеши и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Иогосибирск, 1988?.), трех конференциях молодых учета и специалистов Института экспериментальной метеорологии (Обнинск, 1979, 1982, 1985гг.). По результатам работы в НПО "Тайфун" внедрены полевой генератор вг;х-рев>1Х колец (а.с. л 908991) к спссоб измерения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере (а. с. N 1011974).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заключения у. библиографии. Объем диссертации составляет 2'i0 страниц, '¿¡¡«»чач БО рисунков, 4 таблицы и список литературы из 116 иаим^нграчий.

Содер»л;:.:е работ»;

Во введении отмечен прикладкой интерес к свойствам вихревых колец, псь-1зана перспэютгеность их исследования для решения некоторых ьр?кпге>::ких аачач, сргди которых «вделека проблем* измерения метеопараметров з нихш'ч слоях атмосфер'' Предпологает-ся, что использование глхреви? кол?а ь качестве искусственной неоднородности :< атмооС-эР" позволит преодолеть ряд недостатков и расширит область ¡шмоппмтсчи методе»- акустического зонпиро-вания погранично:^ слоя а'.йосфкры. Далее формулируйся цель работы и задачи коячпвтиых иссдегованяй, ч так/в коплзна, научное и практическое из результатов р-зооти. Крзг-.о излагается

ее солеотание по глаглм. Приводятся оснорчыэ положения, выносимые на защиту.

j

в первой главе рассмотрено состояние вопроса в области изучения вихревых колец с практической точки зрения.

В первом параграфе кратко описана история возникновения и развития научного и прикладного интереса к вихревым кольцам. Показано многообразие явлений, в которых.существенная роль отводится вихревым кольцам.

Во втором парах"афе представлен обзор современных работ, по стациям развития турбулентного вихревого кольца с момента его образования до разрушения. Особое внимание уделено наиболее практически значимым и достоверным результатам, а также исследованиям, которые непосредственно затрагивают тему диссертации. Отмечено, что наибольшее значение для разработки физических основ применения вихревых .колец в прикладных задачах имеют положение об автомодельности турбулентного вихревого кольца, потенциальности внеснего течения /11/, а также выявленные особенности мзссообмена вихря с окружающей средой /12/. Несмотря па то, что ряд фундаментальных вопросов, касаю;ци>:ся механизма образования и турбулентной структуры вихря ясны пока лишь качественно, в главе сделач вывод о наличии достаточного количества информации о свойствах вихревых колец для перехода к непосредственному изучению реализуемости возможных их приложений.

Рэ второй главе излагаются физические основы проектирога;.;;" 1енератора для создания устойчив** вихревых колец в атмосфер?.

В первом параграф; предотглл-.'ы результаты экспериментальных исследований условий формирования устойчивого вихревого кольца. Практическая цель состояла в минимизации размеров генератора при сохранении параметров кихрей. Из-ва отсутствия тео этических рекомендаций конфигурация рабочих зон генератора определена эксперимен-адьпо ка малых моделях. Установлены еле-

¡ущне требования к рациональной конструкции и режиму работы шхревого генератора. Во-пеопых, генератор должен включать в :ебя минимум три элемента: ускоритель потока, находяияйся в им-[ульсной камере и установленный на ней насадок меньшего диамет-)а. Во-вторых, импульсная ¡самера долгсна быть герметичной в оте-¡ени достаточной для поддержания в ней разрешения в .момент жончания (формирования вихря. Этому так>» должен способствовать зежим работы генератора, обеспечивающий резкое торюягние потока при завершении формирования вихря. В-третьих, выталкиваемый ,53 насадкг1 обьем воздуха доллкн Сьггь близок где<^ - диа-

метр выходного отверстия насадка. В-четвертых, насадок должен

г.

быть цилиндрическим и иметь рысоту 1,5-2,0 Уменьшение высоты насадка приводит к ужесточению требований на стабильность режима работы генератора. В этом параграфе такдэ представлены дез результата, дополняв?;!« физическую картину формирования вихря. Во-первых, отрыв пограничного слоя от кромок насадка происходит до завершения истечения из него струи, если ее длина превышает 2 с!... Во-зторых, возникающее?при истечении струи понижение давления в камере генератора способствует большей устойчивости образующегося вихревого кольпа

Во-втором параграфе обосновывается способ создания вихревых колец большого диаметра в атмосфере. Применение для данной цели устройств, получивших распространение в лабораторных установках, например, "япдоса Вуда", поршневого, пневматического генераторов и т. п. практически невозможно,- На основе энергетических и прочностных расчетов показано, что сжигание в камере■генератора порции топлива является наиболее приемлемым способом выброса вихревых колец на значительные расстояния в ^гкпсфере. Расширяющаяся зона горения выполняет при этом функ-

дни поршня, выталкивающего из насадка избыточный объем воздуха, из которого#и формируется вихревое кольцо. Получены формулы для определения количества топлива и начального радиуса вихри в зависимости от размера выходного отверстия генератора, подтвержденные экспериментом ь модельных и натурных условиях.

В третьем параграфе описана конструкция генератора для создания обычных и плавучих вихревых колец з нижних слоях атмосферы. Представлены две * . днфикздте вихревого генератора. Первая позволяла создавать вихревые кольца с начальными радиу-соиЯ0~1,1 м, скоростью И0 до 20 м/с и ьысотой подъема 120-160м. Высота генератора 4 м, диаметр выходного отверстия 1,4 м, масса с;с!гаемой аэровзвеси алюминия П1 один пуск вихря 90 г.. Вторая модификация генератора имела на порядок меньшие сбыи и энергоемкость и создавала вихрение кольца с 0,4 м, ио 6 50 м/с и характерной еысотой подъема 100-1?.0 к.

В четвертом параграфе рассмотрено влияние ветра ка образо-ьание вихревого кольца.. Получена "вакнал эмпирическая формула, связиваяЕЗЯ начальную скорость вихревого кольца, среднюю скорость истечения струп ¿¿с из генератора и скорость ветра 1Г?> на высоте формирования турбулентного вихря:

Но .« - ЮЩ/ис

Тагам образом, полученные результаты позволяют по требуемой высоте подъема вихоя в атмосфере установить начальные радиус и скорость вихря (алгоритм представлен в третьей главе), а с учетом приземной скорости ветра найти минимально допустимую скорость истечения струи. При этом величина радиуса вихревого кольца определяет габариты генератора и массу сжигаемого топлива, скорость истечения струи определяет время его сгорания. Тем са-

мым и основном определен порядок проектирования, решм работы и конфигурация рзбо«"х зон генератора лля создания устойчивых ни-хровчх гсэлец в пограничном слое атмосфера под поикладкые задачи, Третья глава посвякена исследовании влияния метеоусловий на динамику двикенш: и внеоту подгема вихревого кольца в атмосфере.

3 первом .параграфе рассматривается особо значимый для при-ло»?ний вопрос прогнозирования высоты подъем.ч к времени кия и и вихревого кольца в турбулентной атмосфере. Найден критерий рзз-рупення яихря, согласно которому вихревое кольцо разрушится, когда его кинетическая энергии станет соизмеримой с энергией турбулентных вихрей в атмосфере близких масштабов. В рамках ав-тс? »дельного тщктго кольца с псетояггакм коэффициентом роста на основании указанного критерия получены полуэмпирические формулы для определения высоты подъема и времени лизни вихревого кольца в атюсйере. Описаны результаты многих гксперкюнтоп, согласуется получениями '"Формулами.

Ео птором порагр^'е представлена приближенная модель для оценки скорости i ^рвзонтаиыюго сноса биумяого кольца под действием р»тра. Пмтаэачо, чтс смесзпге пихря в горизонтальной плоскости проислод*" в осногнсм но пол воздействием ветрового каиора на бохисув го.-.ерхпость, как у вара-пилота, а из-за г.об-лечечпя и ьихрь порккй воздуха ич скругаюгдэй среды, имеющих импульс в направлении ветра,

В третьем г -,оагр.-«|*» русскатривг.стел динамика цодъ»т и раь-ругоннд вяуревег" ;.олы.:..: в турбулечхкой cïрз7й-$еткроаатгой среде. Подвергнут критическому анализу постуглт о

постокнстве коэЛ^'циента ! :стг. радиуса ьихря о рас:тсл1м>м. Показано, что пг" двч;-ении зи>."'Г. в атмссС>;ре ^ со'":';,

lia осчозе известных, но гчврочпешш:: {-сись о к jccgcSmcub ;-.и?гя

- 1С -

ррсдохтю уравнение, оаиснвакщ«? иямэконю массы автомодельно- . го вихри со вреюаем, являющееся кло->еаш в динамике вихревого кольца в слабо неоднородгчх средах. В рамках сфероидального кваз;;а?томодельного вихря с локализованной в нем знанхренкостып получена система уравнений диншжпи подъема вихревого кольца г атмосфере. Помимо уравнения изменение массы, сформулирозаны такте уравнения для импульса, циркуляции, тепловой 'энергии применительно к принятой модели вихревого колопа. Окончательно система приняла вид:

. £I S-ЯйТ . ü . ! О ,k?o . flll +ЗШ1 = 1Л • Т + 3LC-/I + М Rift, + i m(k)/fin, lue

. ' , i/з 10. £

m <iVil = liti (tfi) (IL - V, ) i ! 3RV , Iii 0

T

AT =-ir (М' + зк) -ru,

с начальными условиям;;: t О, Я ' '"о , iL ~lLo, h Г ~ Cxi с

V = V* = (l-cLo/ß)U*-% (o),

где точка обозначает символ дифференцирования по времен»!; гп. ц. - текущая и присоединенная иг.ссц' сихрг, f4 - пг+J<. U. и Л - скорость поди-ма вх/р»? и * .о радиус; йТ . л? - разность температур и плотностей вихря и окруяавдей срсды с температу^й Т к плотностью ß -, V = пГ /fi. - вихревая скорость;

*

Г - циркуляциг а вихре;

1ч , У .¿ - соответственно скорость в^ртис-аны < воздушны/ пе то-

ков, градиент потенциальной температуры, средняя ьедичина ско-рсс'и дцссиш-шш турбулентной энергии па трассе подгема вихря ь атмосфере; Q, - ускоришь' свободного падепил;

&.tl,J) >%- постойшк гоэффиментк.лп,1» 4, fi - 0,2, fa» 0,С9.

Система согласуется со всеми ивесСтн^мн автору набладенш-ыи ъь. динамикой ьихрс-ньи кллец и лоаьоляет,например, объяснить непонятные ранее результаты /10,14/. Эксперименты, проведенные ка полигоне высотной метеом-ччги при различи»« турбулентности,стратификации, скорости вертикаль!«« воздушных потоков подтверадаот модель. В частном случае движения кенагретого вихревого кольца в спокойной однородной среде система имеет аналитическое речение токдеетьнкксе известном:' /11/. Только в атом случае <£ -»¿л0-сопэ*.. С поиоигьв записанной системы к критерия раз руления ви::ря: V ~30(£И) уточнен«! &ависи«оети высоты подъемаи времени вдзни вихря г* турбулентной стратифицированной среде. Отмечается кеолидакное свойство уегойчдаага (г. е. '<> << 0,2) инхревого (сольца, состоящее в увеличении высоты подъема вихря в атмосфере с ростом интенсивности температуркой инверсии и в умеиьнении высоты подъема вихря при его начальном нагреве. Эксперимент подтверждает эю, на первый взгляд, аномальное явление. При нейтральной стратификации среды и начальном коэффициенте роста радиуса вихря~ 10 численное решение систем» апроксиыируется простыми оценками:

t™ =<U («Ж/О

При диапазоне изменения всех входных параметров системы на два порядка среднеквадратг шое отклонение наблюдаемых в эксперименте и рассчитанных по системе высот подъема и времен хизни вих-ревьг^ колец ь атмосфере составило соответственно 18% и 30%.

В четвертой главе • аналитически и экспериментально исследуется возможность использования вихревых колец для определения скорости и направления ветра, температуры, оценки степени турбулентности в атмосфере, обосновывается идея ее вихреа..устичес-

с

¡сого зондировали*.

В первом параграфе поглааяо. что уравнение движения вихря в горизонтальной плоскости имеет простое решение, согласно которому средняя скорость ветра в слое толщиной 12 радиусов вихря приближенно равна скорости сноса вихря на верхней границе слоя плюс полуразность скоростей скоса вихря на верхней и нихней границах слоя. Эксперименты, проведенные на полигоне высотной

ноте о мачты г. Обнинска, подтвердили возможность определения

о

скорости и направления ветра с погрешностями около.1 м/с и 6 .

Во втором параграфе устанавливается связь ме.гду средней по трассе движения вихря скоростью диссипации турбулентной энергии 6 , начальным радиусом Яо , высотой подъема Ьт. и временем жизниtm вихря:

Иг ЗМ , з 6 ~ И/50)-(Но и /Ьггь)

При нейтральной стратификации среды среднеквадратичное отклонение измерений 5 с помощью вихревых колец и датчиков метеомачты составило 802 при диапазоне изменения <5 в 50 раз.

В третьем параграфе анализируются способы отслеживания координат вихревого кольца. Предпочтение отдается акустической локации благодаря сравнительной простоте ее технической реали-

я&пии, независимости от условий видимости и высокой чустнитель-ности к кодиородчостям показателя преломления в вихре.

В четвертом параграфе показана принципиальная возможность использования вихревого кольца "л*? реализации известного метода /?/ определения абсолотной влажности в атмосфгре по различию в коэффициентах поглощения энергии акустических волн двух частот на трассе локатор - атмосферная неоднородность - локатор. Вих-peFoe кольцо выполняет при отом функции хорого отражающей акустические ьолны "метки", пересек&юцей исследуемый слой атмосферы.

В плтсм параграфе обоснован способ определения модуля градиента температуры по трассе подъема buxdh в стратифицированной и

атмосфере. Обращена внимание ка то, что при дшгаепии первоначально непагретого вихря в темперг-турно неоднородной среде из-за инерционности вихря возникает разность температур между рем и окружающей средой. В результате в "атмосфере" вихревого кольца имею место пульсации температуры, которые влияют на мощность рассеянного вихрем акустического волнового пакета. В приближении колмогоровского спектра пульсаций температуры в вихре получено выражение, связывающее мовдость акустического эхо-сигнала от вихря с проф;жм температуры в атмосфере.

В шестом параграфе представлены результаты экспериментов по акустической эхо-локации вихревого кольца в атмосфере. Экспериментальный стенд включал в себя расположенные рядом полевой генератор вихревых колец, шкостагический содар фирмы "Aerovironment" (1СЛ) и отстоящую от них примерно на 100 метиов метеомачту с установленными на ней до высоты 300 м датчиками ветра', температуры и влажности. В экспериментах фиксировалась мощность и форма эхо-сигнала от вихревого кольца при его облучении импульса).« звука. Результаты анализа более двухсот реали-

оацнй эхо-локации вихря позволяет сделать несколько выводов. Бо -первых, наблюдались значительные вел.: шпы ьо^юсти зхо-сигна-ла. При зтсм удельный элективный поперечашс рассеяния акустических воли на неоднородности* вихря в среднем составил величи-

-5 -I 1< в

ну около 10 м ,что в 10 - 10 ваг« ЭГ-Т атмосфер:!. Это указывает на сравнительную простоту и помехоустойчивость отелелннанин вихревого кольца с помощью акустических систем. Го-вторых, подтверждена ьысокая кореляция мелду градиентом потенцкгяьноП температуры ь атиосфере и страдательной способностью перЕона-чалыю ненагретого вихревого кольца. Предстаьлены результаты восстановления 8 висотншг профилей температуры в атмосфере методом ее впхреакустичэского зондирования. Среднеквадратичное отклонение данных вихреакустичзского асндироьаичя от данных стандартных-измерений на ыетео.мачте составило 0,5°С до высоты 120 м. Шесте с тем особенности ахогсигнала (его форма, частотный спектр и т.д.) показали неполноту имевшегося представления о рассеянии акустических воля вихревым гольцом.

Пятая глава посвящена разработке (-.одели расссяния ысусти-ческих волн турбулентным вихревым кольцом и связанным с этим исследованиям его внутренней структуры.

В первом параграфе представлены результаты термоанемометри-ческлх исследований внутренней турбулентной и термической структур вихревого кольца при его слабых, перегревах. Получено апроксимационное выражение для спектра пульсаций продольной составляющей скорости потока в атмосфере вихря. Показано, что среднеквадратичная амплит; да пульсаций скорости примерно одинакова по всему объему атмосферы вихря за исключением его задней приосевой области, где она быстро спадает с 0,15 и до 0,05 и. Важнейший результат исследований термической структуры вихрено-

го кольца состоит п выявлении в его передней части узкого переходного слоя, при пересечении которого свойства-среды (температура, интенсивность турбулентности и т. п. ) резко меняются. В целок полученные экспериментальные результаты позгзлявт представить турбулентное вихревое кольцо в виде поступательно движущегося тел-д сфероидальной формы с негроницаемой лобовой поверхность»1, циркуля!шонн;,,м движением и сильной турбулентностью внутри него, m передней поверхности вихря из-за различия коэффициентов дчФ^уэии (внутри вихря - турбулентной, вне - молекулярный! Формируются; температурный и динамический погранслои. В тыловой части зихра под воздействием встречного градиеста давления погранслои разрушается. Образуется зона смешения, через которт осуществляется турбулентный массообмен между вихрем н окружающей средой. ' . •

Вэ втором параграфе уточнена зависимость /1Г7 дл • интенсивности массообмгна вихри с окруждакей средой применительно к воздуху. Использовались две методики эксперимента. В горной методике определялась скорость убывания осреднонной по объему вихря избыточней темт.-ратури по мере его удаления от генератора. Ео второй кв^олчке измерялась скорость убывания юзем мелкодисперсного аэрозоля ¿.' гпхр^всм кольце при его двияшыи в чистом воздухе. Гезультатк зкелернчентоз сог.'асунгс" с эляисимость» /12/ и с принятой з дкеееггаци* гипотезе;"' о рынссе массы из усгойчи-coro вихревого кольца. С доверительной вероятностью 0,55 определено численное гняченчз коэффициента ß, - 0,09 - 0,31.

В третьем параграфе излолкКа модель рассеяния акустических ьолн турбулентным mr-рерыч кольцом. Представлена обеая система уравнений гидродинамики и аистята дьигувигся сред -с граничны«'.! ус товилмк, сооты.-тоткуюетми пр'-";ятой моде.:;: етхря. . Шлучено

- 18 - ^

ди-ЗЛзренциалыюе уравнение Гелькгольца для описания рассеянного и рефрагироваш'ого в вихре акустических голой. Дан качественный анализ уравнения. Для упрощения постановки задачи и получении количественных выводов рассмотрена ысностатическая охо-локация вихревого кольца в приблигекии геометрической акустики, что соответствует реализуемой схеме лихре-< густического зондирования атмосферы. Выделено три механизма рассеяния звука вихреньм гяль-цом: отражение акустических волн от легализованной в ядре вихря неоднородности показателя преломления; отражение акустических волн от переходного слоя на лобовой поверхности вихря;рассеяние акустических вол;! на пульсациях 'показателя преломления в атмосфере вихря. Зффестявный поперечник обратного рассеяния 6Г нагретого ядра вихря может быть оценен по формуле:

6, « 1Г1 (1+со5Чк,г) У (В).

где Ц и X - радиусы вихря и поперечного сечения его ядра; дТ " перегрев ядра вихря; Ко •* 2. Я ¡Л- - волновое число;

б - угол меэду цормнльн к плоскости ядра вихря и направления« на антенну с-одара;

да

чТспО '[1 <■ СОЗ(!/11„ЦЗСПО)] т В^Тя

Г йШОЪг г 1 Л

ПоР> [ и7р77шО J и *с<4(4 НоЯ ЦП 9} , 0 £

Сечение обратного рассеян:'.; акуэтотеских' вола из пульсациях температуры в нихре б а. оценивается соотнесением:

^.О^пс' Я * (А1 ¡ГУ ЭМ'Чггивньй . сяеречкик обратного рассенкчя (?> переходного слоя

на лобовой поверхности нагретосо вихря в приближении ее сферичности определяется выражением: ь

6i « f (Ш/Т)*- t + /(2Pj'Y}

где !\ " ilília. - число Пекле; ib - коэффициент температуропроводности.

При соблюдении выполнимых на практике ограничений на начальный перегрев вихря и его старость (Та. Y~ , 6Í 00 ~б~ , где -средний градиент' потенциальной температуры по трассе подъема вихря в атмосфере.

В четвертом параграф; представлены новые экспериментальные результаты, подтверждав» v. доподкяюцпе разработанную модель рассеяния звука вихревым кольцом. Приведены данные о флуктуаци-ях 6i и б"г , о спектре мощности эхо-сигнала и о зависимости от частоты излучения. Отмечено, что спектр эхо-сигнала имеет доплеровсккй сдвиг в соответствии со скоростью движения вихря как целого и доплеровское уширение,определяемое при отражении акустических воли торможением ьихря, а при их рассеянии -адвекцией турбулентных зеоднородностей показателя преломления в вихре. Кроме того, эхо-сигнал от ядра вихрекого кольиа сильно флуктуирует по амплитуде из-за суперпозиции волн от 4-ех зеркальных точек на его поверхности. Медленные флуктуации сигнала вызывается эволюцией размеров игхря, быстрые - колебаниями его плоскости при подъеме. В эксперимента): наблюдались тшшэ менее интенсивные флуктуации величины , причина которых осталась невыясненной.

3 пятом параграфе рассмотрена одна.из возможных методик реализации впхреакустического зондирования ветра в атмосфере. Для определения траектории вихря, по которой восстанавливается про-

филь ветра, предложено попользовать импульсную локацию с .пободаю трех разнесенных приемных антенн и излучателя с широкими 30°) диаграммами направленности. Расчетами показано, что при хараня-ерных высоте зондирования 100м, длине волны излученил 0,1м, расстоянии мевду антеннами 1м и интервале усреднения 1с погрешность определения скоростей горизонтального сноса вихревого кольца не превысит 0,5 и/о,- величину приемлемую для ветрового зондирования атмосферы. (

В заключении сформулирована основные результаты данной работы:

1. Епервие определены физические основы проектирования генератора для создания вихревых колец в пограничном слое атмосферы. Разработана оригинальная конструкция генератора, формирующего вихревые кольца диаметром более метра и характерной высотой подъема 100 метров. Показано, что сжигание в генератор« порции топлива является в .настояшэз время наиболее приемлемым способом-.выброса вихревых колец на значительные расстояния в атмосфере.

. 2. Впервые предложена полузнш'.рическая модель движения вихревого кольца в турбулентной, стратифицированной среде, подтверждаемая экспериментом в широком диапазоне входных параметров. Получены формулы для определения времени казни и высоты подъема вихря в реальной атмосфере.

3. Впервые показана и экспериментально подтверждена возможность определения профилей скорости и направления ветра, оценки средней величины скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере с помощью вихревых колец.

4. На основе анализа различны;: методов дистанционной локации обоснована предпочтительность применения для отслеживания

вихревого кольца в пограничном слое атмосферы акустических систем.

5. Впервые проведены эксперименты по акустической'легации

вихревого кольца. Достигнуты удельные эффективные поперечники

'/ б

рассеяния акустических волн на неоднородности;: вихря в 10 -10 раз более высокие, чем в атмосфере.

6. Предложен и обоснован способ вкхреакустического зондирования градиента температуры в атмосфере. Экспериментально подтверждена принципиальная возможность реализации способа с помощью простых техт.;чческих средств.

V. Предложен.» способ вихреакустического зондирования влажности в атмосфере

8. Впервые построена модель рассеяния акустических волн вихревым кольцом при его моностатической эхо-локации.

9. Получены новые экспериментальные результаты о процессе формирования турбулентного вихревого кольца, его внутренней структуре, массерОмэне с екрухзвдей средой, переносе аэрозольной примеси и характеристиках отраженного им акустического волнового пакета.

Слисок работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Диденко Н. К. , Иванов В. Н. , Коровин В. 51; Русаков Ю. С. , Смирнов В. В. О воэмом.ссти транспортировки реагента с помощью вихревых колец // .Всесоюз. конф. по физике облаков и активных воздействий на них: Тез. дом. - Обнинск, 1973,- С. 123-124.

2. Диденко Н. Ч. , Иванов В. II , Коровин В Я. , Русаков Ю. С. , Смирнов В. В. О движении вихревых колец в турбулентной атмосфере // Всесоюз. кочф. по прикладным аспектам турбулентной диффузии в приземном и пограничном слоях атмосферы: Тез. докл. - Обнинск, 1381. - С. 23.

3. Л. с. 903991 СССР. МКИ Е 01' Н 13/00. Вихревой генератор. В. Н. Иванов, а Я Коровин, Ю.С. Русаков (СССР). - 1581.- Зс.: ил.

4. Л. с. 1041974 СССР, МИЛ С 01V 1/00. Способ измерения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере. В. 51 Иванов, а Я Коровин, Ю.С. Русаков, В. В. Смирнов (СССР). - 1983. - 4с.

5. Русаков В. С., Иванов В. 11 Полевой генератор вихревых колец // Труды Института экспериментальной метеорологии (Труды ». - 1985. - Вот. 34(103). - С. 27-33.

С>. Русаков К1С. Под!«« вихревого кольца в турбулентной атмосфере // Труда 1Ш. - 1985. - Вып. 34(103). - С. 33-41.

?. Коровин В. Я , Русаков ¡0. С. О рассеянии акустических волн турбулентным вихревым кольцом // С Есесоюе. симп. но лазерио*-" и акустическому .зондированию^ ;".мос4ерн: Тез. дога. - Томск, 1904.-4.2. - С. 181-187.

0. Коровин В. Я. , Русаков Ю. С. Измерение метеопараметроз пограничного слоя атмосферы методом вихреакустического зондирования атмосферы // 9 Есесоюз. симп. по лазерному и акустическому зондированию атмосфера: Т>.3. докл.- Томен, 1537. 4.2. - С. ?ЛЗ-217. • О, А. с. 1200691 СССР, Ми! С 01 V 1/00. Способ зондирования атмосферы. В К Иаапов, В. Г Коровин, Ю. С. Русаков, В. Н Смирн :•=, (СССР). - 1935.- 5с. . ■

10. Коровин В Я , Русакоп ю. С „ .'Хреаку-:тическое {зондирование ат '.есферь; // Радиометеорология. Труды ? Всесоюзного созегл-ния: Тез. дога. - Л. , Гидрометеоиадат, 1985 - С. 238-239.

11. Русаков Ю. С,- О переносе аэрозоля вихревым кольцом // Труды ЮМ.- 1969,- Вып. 48Г142). - С. 102-107.

12. Бесч"и:.нов С. П. , Русаков Ю. С. Результаты измерения С.^ дистанционным и контактным'методами -при устой-1.;ь-:й стратификации // Т;л'ды И.М- Выи. 4Н 142). - С. 34-¿3.

13. Русаков ас. Исследование вихревых колец в лабораторных и натурных условиях применительно к зондирований атмосферы. // Известил СО ЛИ СССР, сер. техн. наук. - 1983. - Шт. 6. - N 21. -С. 132-131.

14. Русаков В. С. Экспериментальные исследования структуры г масссобмена турбулентного вихреиого кольца // Яурпал прикладной механики и технической физики. - 1991,- М 4,- С. 107-112.

Питированная литература. ■ Патент США 3204328, ЫКИ EOlh 13/00. Рассеяние туманов. -1S74. - 4с.: ил.

»4

2. Патент С1!!Л 35826C3, ülffl ЕЮ5Ь 17/04. Вихревое транспортирование. - 1071. - 5с. :ил.

3. А. с. 314976. Устройство для отбора газа, содержащего пыль, вредные примеси и т.п. и выброса его в атмосферу. Северянин В. С., ЛысковЕЯ. //В кн.: Открытия,'изобретения, премии, образцы, товар, знаки. - 1071.- Н 28.

4. Л. с. 556277. Устройство для выброса газов из дымовой трубы. Кванин Ю. В. , Карбовский И. и. . Чеков Л. В. и др. // В кн.: .Открытия, изобретения, промыл, образцы, товар, знаки.- 1977.-

М 16.

5. Ахметоз Д. Г., Луговцов Б. Л. , Тарасов В. <5. Тугеение пожаров на гааонефтяных сквамшах с помощью вихревых колец // Сизика горения и взрыва.-' 1980. - íi 5,- С. 8-М.

6. А. с. 1200691 СССР, МНИ G 01 V 1/00." Способ зондирования атмосферы. В.Н. Иванов, В. Я Коровин, Ю. С. Русаков, В. В. Смирнов (СССР)'. - 1985,- 5с.

бретения, промыв. образцы, товар. • знаки, 1988, N28.

7. Красненко R П. Акустическое зондирование атмосферы. -

- 24 -

Новосибирск: Наук*, 1986.- 166с.

8. Каллистратова KL А., Кон A. IL Радиоакустическое зондирование атмосферы. - IL: Наука, 1985. - 1Э7с.

СЧ Луговцов А. А, Луговцов Б. А., Тарасов В. Ф. О движении турбулентного вихревого кольца // В сб. "Динамика сплошной среды". - Новосибирск.- 1969.-* Вып. 3. - С. 50-59.

10. Атлас Д. Успехи радарной метеорологии. - Л. : Гидромете-оиздат, 1967. - 194с.

11. Лаврентьев U.A., ЕЬбат Б. Е Проблемы гидродинамики и их математические модели. - М.: Наука, 1977.- 416с.

12. Тарасов В. Ф. , Якушев В. И. Экспериментальные исследования переноса примеси турбулентным вихревым кольцом // ШЛФ. -1974.- N1.- С. 130-136.

13. Itaxworthy Т. Some experirrental studies of vortex rings// J. Fluid Mechanics. - 1677.- V. 81. - N3.- P. 465-465.

14. йвхт A. R , Биланин А. Дж., Херш Дк. А. Турбулентные вихри в стратифицированной среде // Ракетная техника и космонавтика. - I960, - Т. 18,- N7.- С. 146-156.

t///Ck Ъцуу. jV-Atf^ /V /Л"

rt'cj*j