Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Конвективный тепло- и влагообмен в системе вода-воздух

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Конвективный тепло- и влагообмен в системе вода-воздух"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

АНИСИМОВА Елена Петровна

УДК 551.558 : 551.465.7 : 551.524.2 : 551.515.2

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛО И ВЛАГООБМЕН В СИСТЕМЕ ВОДА — ВОЗДУХ

04.00.22 —геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва— 1992 г.

Работа выполнена на кафедре физики моря и вод суши физического факультета (Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Хунджуа Георгий Григорьевич

доктор физико-математических наук

Сеидов Джаваншир Гасанович

доктор физико-математических наук

Дворянинов Геннадий Степанович

Ведущая организация: Государственный Океанографический институт.

Защита состоится « .Я? » • 1992 г-

в /^а.Зр-ччасов на заседании Специализированного совета ПО Геофизикй. (Д 053.05.81) в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, •Москва, ^Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд. . . >

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автороферат разослан

/7 -» Я^ Г "

1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математичес наук

В. В. Розанов

«

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аитуальность_теш диссертации. Вопросам тепло-, массо- и энергообмена в системе гидросфера - атмосфера уделяется все боЛЬиее внимание, поскольку именно 9тими процессами определяется формирование климата и погоды на Земле.

Одним из основных механизмов, которые обусловливают обмен между водной и воздушной оболочками аемного шара, является механизм плотностной конвекции. Наиболее распространенным типом конвективного движения в природе является вынужденная конвекция, реализующаяся в скоростном потока при неустойчивой стратификации плотности. Обменные процессы, протекающие в системе гидросфера - атмосфера в условиях вынужденной конвекции, наиболее изучены. Однако в проблеме вынужденной конвекции следует отметить весьма важное, но шло исследованное направление -процессы тепло-, массо- и энергообмена в условиях конвекции, реализующейся в интенсивных конвективных вихрях (ИКВ), яелягь щихсл существенным фактором в глобальном перераспределении тепла и моги на Земле.- ®

• В проблеме тепло- и влагообмена в система гидросфера - атмосфера значительный интерес представляв также и условия свободной конвакши. Последние часто реализуются на природных ьо-.доенах» особенно в ночные и предутренние часы. Несмотря на интенсивное развитие исследований свободной конвекции в последнее время, вопросы формирования свободно конвективного движения в системе вода - воздух и особенности обмена в этих условиях, всэ ев# трзбувт дальнейшего исследования.

Настоящая работа и посвящена изучения закономерностей тепло- п влагообмена через границу раздела вода - воздух в условиях свободной конвекции и механизмов тепло-, влаго- и энергопереноса в интенсивных конвективных вихревых системах.

исследовадая. Цель а далной работы послушшо исследование двух крайних проявлений механизма конвекции в процессах тепло- и влагообмена в системе гидросфера - атмосфера. А именно, исследовался механизм тепло- и влагоотвода в условиях свободной конвекции и в атмосферннх ИКВ, формирующихся над водной поверхность?). Решение последней задачи потребовало детального изучения кинематической, термодинамической и турбулентной

- г -

структуры и энергетики атмосферных ШШ влажного типа.

Работа выполнена методами лабораторного к натурного эксперимента.

Основные_научные^ез£льтаты. Ц/тем ■ сравнительного и критериального анализа показана правомерность применения результатов, полученных на разработанной лабораторной «одели ИКВ, к их природным аналогам. Методом физического моделирования выявлен механизм тепло- и влагообмена, характерный для атмосферных ШШ влажного типа, исследованы осрэдленные характеристики и турбулентная структура полей скорости, температуры и влакности

• в вихрях этого класса.

Ыявлены и исследованы особенности тепло- и влагообмена в пограничной слое вода - воздух при свободной: конвекции.

Конкретные научные результаты диссертации состоят в следующем: •

- Создана лабораторная модель, позволяющая путем изменения внешних 'параметров моделировать различные стадии развития как сухих, так и влажных атмосферных ИКВ.

- Методом физического моделирования исследованы осредненшо поля скорости, температуры и влажности в воздушном ИКВ на разных стадиях его развития, проведен анализ сил* действующих $ разных областях вяхря, и выявлено их соотноаение. Показано кинематическое подобие и подобие по полю давления физической модели ИКВ и нижней тропосферы тропических циклонов ( ЗЦ ), ¡¿о-тодоы критериального анализа показано подобие ряда терыодина-. шческих процессов в модельных ИКВ и в их природных аналогах»

. Показано, что определяющий критерием подобия для вихрей рассматриваемого класса является Тепловое число Угруда /-V* , отражающее соотношение' между центробежной силой на перифзрш ийх-ревой систеш и радиальным градиент оы давления в нзй. Предложена классификация ИКВ и найдены зависимости безразмерного радиуса максимальных скоростей и безразмерной максимальной

• скорости в вихра от числа Рг*". * «

- Инструментально, с использованием метода балансов, исследована турбулентная структура полей скорости, температуры и блажное™ в модельных ИКВ влажного типа. Для различных областей

' ИКВ предложены параметризации вертикального турбулентного по-

•

•тока импульса и дисперсий горизонтальных составляющих скорости. Выявлены области аномального переноса импульса, что позволило ■■ объяснить наличие суперградиентных ветров в вихревых системах типа ТЦ. Показано, что в ядре влажной конвективной вихревой системы турбулентность балансируется вертикально-радиальной циркуляцией, что и обусловливает твердотельный характер вращения воздушных масс в этой области вихря. Обнаружены зоны максимальной интенсивности турбулентности для полей температуры, влажности, тангенциальной и радиальной составляющих скорости в ИКВ и выявлены причины их формирования. Показано различие механизмов генерации турбулентности поля скорости и полей температуры и влажности в вихрях рассматриваемого класса. Сведен баланс средней кинетической энергии, позволивший выявить роль различных механизмов в формировании кинетической энергии в разных областях ИКВ.

- Выявлено качественное подобие полей температуры и влажности в модельных ИКЗ влажного типа и в центральной области нижней тропосферы *Щ (наличие теплого ядра). Обнаружены области аномального переноса тепла и влаги в вертикальном направлении во влажной конвективной вихревой системе. В явном виде выделен вертикальный поток тепла и влаги, обусловленный когерентными структурами конвективного происхождения, и показано, что в зависимости от режима вихревой системы этот поток'может значительно превышать вертикальный турбулентный поток тепла и влаги, обусловленный градиентным механизмом переноса, свойственным мелкомасштабной турбулентности.

- На основе сопоставления полученных экспериментальных данных с данными натурных наблюдения за ЗЦ показано, что влажным ИКВ прпсуц взрывной механизм тепло- и влагоотвода. Непрерывная реализация плотностной неустойчивости, нарастающей, главным образом, вследствие выделения тепла конденсации, сдерживается гидродинашп-Зскши силами,, действующими в центральной пасти ИКВ. При этом разрешение плотностной неустойчивости происходит а виде теплового пробоя пограничного слоя при достижении неустойчивостью некоторой критической величины, что и обусловливает взрывной характер вертикального тепло- и влагопереноса в вихро. Экспериментально выявлен нвазипериодаческий характер

ролебаНий диаметра ядра вихря« обусловленный взрывным характером процессов вертикального тепло- и влагоотвода, и оценен период этих колебаний.

' Б результате изучения особенностей тепло- и влагообыена в системе вода - воздух при свободной конвекции, а также в условиях конвекции, осложненной слабым адвективным переносок и наличием естественной аэрации водной массы, получены следующие научные результаты:

- По данный натурных наблюдений и лабораторных экспериментов выявлена и исследована тонкая вертикальная структура теплового пограничного слоя вода - воздух в условиях свободной конвекции и конвекции при слабом адвективном переносе. Шявлено наличие максимумов на вертикальном распределении дисперсий пульсаций температуры и влажности воздуха, расположенных вблизи нижней границы инверсионного участка на вертикальном распределении

осреднеиных значений этих задач. По данным лабораторных^экспериментов определена »меловая константа в законах t £ и ; с^г- Ц Здкя вертикального распределения температуры и влажности в условиях свободной конвекции. Обнаружена специфическая форма турбулентных неоднородностей поля скорости в.условиях конвекции при слабом адвективном переносе, т.е. в режима, являющемся переходным от свободной конвекции к вынужденной.

- Методами тепловидения и термографии показано, что на охлад-дащейся чистой водной поверхности в начальной стадии формирования свободно конвективного движения всегда, имеет место термокапиллярная ышероконвекция Ыарангони. Конвекция Ыарангонй интенсифицирует формирование критической плотносгной Неустойчивости, необходимой для возникновения термогравитационной конвекции Рэлея. Экспериментально определено критическое значение числа Рэлея ^а. ^ * 1105 для условий развитой свободной термогравитационной конвекции в воде, охлаждающейся с поверхности.

- Выявлено и исследовано влияние естественной аэрации водной массы на тепло- ивлагообмен & условиях свободной конвекция в системе водоем - атмосфера. Показано/что в условиях неустойчивой стратификации плотности и в отсутствии вврра естественная аэрация воды существенно интенсифицирует вынос тепла : и влаги в атмосферу. "; ■'■')'•-:'

Научная новизна исодедов&ний. В результате исследования механизмов тепло-, влаго- и энергообмена в ИКВ впервые:

- Создана физическая модель воздушных ИКВ, по основным термогидродинамическим критериям подобная их природным аналогам. На установке путем изменения внешних параметров можно моделировать различные стадии развития как сухих, так и влажных ИКВ.

- Показано, что критерием подобия, определяющим структуру ИКВ, является тепловое число Фруда.

- Исследованы осрэдненные поля скорости, температуры и влажности, а также турбулентная структура этих полей. В различных областях воздушных ИКВ выявлены механизмы генерации турбулентности и сведён баланс средней кинетической энергии.

- Предложены параметризации основных характеристик поля скорости в вихрях исследованного класса. Шлвлены области аномального переноса импульса, показано, .что в ядре влажного ИКВ турбулентность балансируется вертикально-радиальной циркуляцией.

- Исследован механизм тепло- и влагодареноса в ИКВ. Еыявлены зоны аномального переноса тепла и влаги в вертикальном направлении и вертикальный поток тепла, обусловленный когерентны,« структурами4 конвективного происхождения. Показано, что для отдельных режимов вихревой системы этот поток тепла может значительно превышать вертикальный турбулентный поток тепла, обус- . ловленный механизмом мелкомасштабной турбулентности.

В результате изучения закономерностей тепло- и влагообме-на через границу раздела вода - воздух в условиях свободной конвекции и при конвекции, осложненной слабый адвективным переносом и наличием аэрации водной среда, впервые:

- Обнаружены и исследованы характерные особенности вертикальной структуры Полей температуры И влажности в условиях свободной конвекции И полей температуры, влажности и скорости ветра з условиях конвекции при слабом адвективном переносе, т.е. в реяшад перехода от свободной конвекции к вынужденной.

- Показано, что на охлаждающейся чистой водной поверхности в условиях Начала формирования свободной конвекции всегда имеет место тормокапиллпрная шкроконвекцил Марангони, интенсифицирующая формирование критической плотностной неустойчивости, . необходимой для возникновения конвекции большего масштаба, а

именно, термогравитационной конвекции Рэлея.

- Выявлено и исследовано влияние аэрации водной массы на тепло-и влагообмен в системе водоем -' атмосфера в условиях свободной конвекции.

ЕЬводы, полученные в. диссертации, основаны на анализе большого количества наблюдений! проведенных в природе, и экспериментов , выполненных методом лабораторного моделирования. Измерительная аппаратура и методики измерений разрабатывались применительно к каждой группе экспериментов. Особое внимание уделялось определение погрешности измерений и вычислений, что позволило оценить пределы достоверности экспериментальных данных. Цублико-вавшиеся автором материалы находили подтверждение' и неоднократно использовались в работах других исследователей.

Все выше сказанное свидетельствует о научной новизне и высокой степени обоснованности выводов, полученных в диссертации.

Практическая_знавдмость. результатов диссертации. Полученные в данной диссертации результаты могут быть использованы при создании общей теории процессов тепло-, иассо- и энергопереноса в природных атмосферных крупномасштабных конвективных вихревых системах. Результаты работы, используются при интерпретации данных натурных наблюдений за природными конвективными вихрями тй-па ТЦ.

Разработанная физическая модель ИКБ воспроизведена в раде • научно-исследовательских учреждений СССР (ИШО'АН БССР, ДШЦ АН СССР, географический факультет МГУ), где успешно применяется для исследования отдельных физических процессов, протекавших в атмосферных ИКВ. Полученные в диссертации параметризации интегральных характеристик полей скорости и давления в атмосферных ИКВ могут быть использованы в математических моделях таких природных явлений, и, в частности, были апробированы на созданной в ГЫЦ СССР осесишетрнчной математической модели 1Ц.

Результаты, полученные при изучении структуры полей температуры и влажности в тонко!* тепловом пограничном слое вода - воздух в условиях свободной конвекции, являются дальнейший развитием теории свободно конвективного движения и могут быть использованы при решении проблем экологии природных водных объектов.

Материалы диссертации используются в лекционных курсах, читаемых на -физическом факультете ИГУ, и в работе гидрофизичэсхого

практикума того же факультета.

Г^бл^кадии^езультатов_и_личнь1й вклад автора. В диссертации-обобщены результаты многолетних исследований автора, выполнен-1олх им на кафедре физики моря и вод суши физического факультета МГУ. Автору принадлежит формулировка, постановка и реализация задачи физического моделирования процессов тепло- и влагообмена в системе вода - воздух в условиях свободной конвекции и в интенсивных конвективных атмосферных вихрях. В процессе решения задач, поставленных в диссертации, автор обеспечивал научное руководство исследованиями и принимал непосредственное автивное участие в исследованиях на всех этапах работы от оценок характеристик измерительной аппаратуры, создававшейся для решения конкретных задач, планирования и проведения натурных наблюдений и лабораторных экспериментов и до обработки, анализа, интерпретации и обобщения полученных результатов.-

Основные результаты диссертации опубликованы в _ научных публикациях.

^Ёобашя Еаботы^. Результаты работы докладовались на Х1У-см Тихоокеанском конгрессе (1979 г.), 2-м, 3-м, 4-м международшх симпозиума* по тропической метеорологии (1961, 1985 и 1939 г.г.), на 1-й Верещагинской международной конференции (1939 г.), 2-й и 3-м съездах советских океанологов (19Ь2 и 1987 г.г.), У1-м 1303-; сиэзном лимнологическом совещании (1985 г.), конференциях ученых МГУ по проблема!.! Мирового океана (1930 и 198Ь г.г.), школе-семинаре по ТЦ и вихревым движениям в атмосфере (1987 г.), Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы (1989 г.), 1У-Й Всесоюзной науч-но-техничеекой конференции "Вклад молодах ученых и специалистов п решение современных проблем океанологии и гидробиологии" (1989 г.), Всесоюзном симпозиума "Механизм генерации мелкомасштабной турбулентности в океане" (1985 г.), на семинаре в КОМ ЛИ СССР, на семинарах в институте Механики МГУ, в ИсМ, в Атлантическом отделении ИО АН СССР, в ГЩ СССР, на кафедре физики моря и вод суши физического факультета МГУ.

Стзуктдра и соде2.жанив_работн. Диссертация состоит из введения, двух частей, заключения и списка 'использованной литературы. Первая часть содержит 4 главы (1.1 - 1.4), вторая часть -3 главы (2.1 - 2.3). В конце каждой части даются вывода. Дис-

сертация содержит 365 страниц, из них 28 4 страниц машинописного текста. _рисунков, Ю таблиц и список литературы,

состоящий из 403 названий.

Во введении рассмотрена актуальность проблемы и сформулированы основные задачи исследования.

Первая часть диссертации посвящена изучению механизмов тепло-и влагопереноса в воздушных ИКВ, природным аналогом которых являются ТЦ. Решение этой задачи оказалось невозможным без детального изучения кинематической, динамической и турбулентной структуры ИКВ. Все эти вопросы также нашли отражение в первой части диссертации. Исследование выполнено, методом физического моделирования, что позволило выявить ряд аспектов проблемы, трудно доступных как натурным наблюдениям, так и методу математического моделирования.

В главе I.I содержится краткий перечень существующих подходов к лабораторному моделированию природных ИКВ и дается описание экспериментальной установки, позволившей создать физическую модель воздушных ИКВ влажного типа, которая оказалась наиболее эффективной для решения поставленных в диссертации задач.

Для создания в лабораторных условиях атмосферного ИКВ на экспериментальной установке были смоделированы основные силы, формирующие«поля физических величин в вихрях упомянутого класса: подъемная сила и сила Кориолиса. Учитывая специфику реальных ТЦ, подъемная сила моделировалась конвективным способом, для чего в качестве подстилающей поверхности использовалась вода, температура которой превышала температуру окружающего воздуха, Большие перепада температур вода - воздух обусловливали высокий уровень влажности в модельном вихре, что, в свои очередь, усиливало плотностцую неустойчивость и позволило смоделировать влияние влажности на структуру вихревой системы.

Аналогом параметра Кориолиса для лабораторной модели воздушного ИКВ является величина , где - циркуляционная скорость на внешней границе установка, а /2 - радиус последней. Такой подход к моделированию правомерен для области реального ТЦ, на внешней границе которой число Россбй (lo 1.

Детальное исследование полей скорости, температуры и влажности в модельном влажном ИКВ и проведение на основе полученных данных критериального анализа показали, что созданная л&бора-

торная модель вихря является физической моделью центральной части нижней тропосферы ТЦ (без слоя оттока). Последнее сделало возможным изучение механизмов обмена, свойственных 1Ц, на созданной установке, что и было выполнено.

Описание экспериментальной установки дается в 5 1.1.1. Установка представляла собой сосуд высотой 10 см и диаметром I м, заполненный водой, температура которой могла повышаться от комнатной до 80 °С. По периметру сосуда с водой устанавливалась система вертикальных пластин (тангенциальные окна), каждая из которых могла поворачиваться вокруг своей оси и выставляться под разными* углами к радиусу установки. Начиная с некоторого значения температуры и определенного угла поворота тангенциальных окон, происходит концентрация горячего влатеого воздуха к центру системы и возникает отчетливо видимый вихрь.

Визуальные наблюдения показали, что основание вихря двигается по поверхности воды по сложной траектории, что пришлось учитывать при выборе методов измерений основных характеристик вихревой системы и методик обработки экспериментальных данных.

Основными внешними параметрами модели являются температура поверхности воды и угол поворота тангенциальных окон Ж , тангенс которого характеризует отношение тангенциальной и

радиальной составляющих скорости на периферии установки.

Параграф 1.1.2 посвящен выбору методов измерения скорости в вихревой системе. С учетом особенностей поля скорости в исследуемых вихрях в качестве основного метода измерений был выбран метод визуализации, который заключался в фоторегистрации трассирующих частиц, вводимых в поток с помощью распылителей, расположенных по периметру установки. В качестве трассеров использовалась алюминиевая пыль. И с п ол ь з о в анная в работе методика съежи трассирующих частиц позволила определить тангенциальную й радиальную 1ГХ соиадлящие скорости в вихре.

В работе оценены основные погрешности метода визуализации и показано, что использованный метод позволяет надежно исследо- '. вать поле составляющих горизонтальной скорости в вихревой системе .

Для определения вертикального распределения горизонтальной скорости на внешней границе вихревой системы был использован

метод термоанемометрии; Применялся термоанемометр фирмы Д43А с однониточным датчиком. Так как на периферии вихревой системы, где применялся термоанемоыетр, вертикальная-скорость отсутствовала, прибор регистрировал горизонтальную скорость V ,

В § 1.1.3 описывается использовавшаяся в работе методика . измерения температуры и влажности в вихре. Температура воздуха измерялась с помощью-медно-константановой термопары (диаметр спая 0,25-0,30 мм). Для измерения влажности был выбран психрометрический метод. Датчик минипсихрометра представлял собой также ыедно-консгантановую термопару, один из спаев которой был окружен проволочной петлей диаметром Z мм, где силами поверхностного натяжения удерживалась пленка вода. Сухая и смоченная термопары помещались на расстоянии 2-3 ш друг от друга. Использовавшаяся конструкция шнипсихроыетра оказалась надежной и обладающей хорошим пространственным разрешением.

Для того, чтобы во время измерений надежно определять положение датчиков относительно центра вихревой системы, синхронно с записью сигналов с термопар осуществлялась фотосъемка поперечного сечения вихря, в котором велись измерения. Фотокамера срабатывала от импульсов, поступавших от генератора. Эти юл-пульсы одновременно фиксировались и на ленте самописца, на который велась регистрация показаний сухой и смоченной термопар. Такая методика, позволила точно соотносить положение датчиков термометра и психрометра с положением центра вихревой системы.

В § 1.1.4 излагается методика обработки данных измерений. Обработка фотопленок с целью определения горизонтальных составляющих скорости в вихра осуществлялась на стереокомпаратора с последующими расчетами на ЭШ. На какдоы горизонте обрабатывались 500 - 600 треков частиц трассеров. Полученные в результате обработки ряди мгновенных значений тангенциальной и радиальной составляющих скорости рассортировывались по следующим

1.0,010 и при г> 0,1 и В пределах каждого интервала радиусов значения скоростей•^ и 1Гъ осреднялись и таким образом определялись их средние величины. .

Обработка показаний сухой и смоченной термопар осуществля-

интервалам радиусов; «Г0,005 и при 0,1м

лась также с использованием ЭШ. При этом рассчитывались следующие характеристики: упругость водяного пара , относительная влажность £ и удельная влажность . Полученные мгновенные значения указанных величин рассортировывались по радиусам аналогично тому, как это делалось для данных о скорости.

Оценки статистических погрешностей показали, что отклонения от среднего значения, обусловленные турбулентным характером полей скорости, температуры и влазхности в вихре, значительно превышают инструментальные погрешности измерений. •

В дальнейшем знак осреднении над величинами скоростей, температуры и влажности опущен.

В глава 1.2 изложены результаты исследования динамической структуры интенсивных конвективных вихрей влажного типа. Визу- 1 альные наблюдения (§ 1.2.1) показали, что структура ИКВ определяется граничными условиями, а именно, величинами у -и ¿^д » , где йТ = Т3 -Т^ . Отмечено, что ядро

шкря мелет находиться в следующих состояниях:

- наличие в центре внхря "глаза" - четкой темной области с резко очерченными границами, что свидетельствует об отсутствии здесь капель сконденсированной влаги;

- наличие "заполненного глаза" - сконденсированная влага наблюдается во всем ядра, но распределение её неравномерно: внут-. ри кольцевого района с высокой степень» концентрации сконденсированной влаги ("стены глаза") существует область, где концентрация капель существенно меньше ("заполненный глаз");

« - отсутствие "глаза" - ядро вихря представляет собой однородное образование.

Отметим, что в интенсивных атмосферных конвективных .вихрях типа ТЦ "глаз" существует также не на всех стадиях их развития.

Согласно данным визуальных наблюдений ,в модели влажного конвективного воздушного вихря имели место кзазипериодические колебания диаметра "глаза",-

Полученные данные позволили уточнить классификации воэдуш-ншг ИКВ, предложенную /гИг^аг2а/с{ ( ¿373 ). Показано, что в отличив от пяти режимов, характерных согласно /-"Лг^аггаб/ для сухих ИКВ, во влажных вихрях реализуются только четыре режима: устойчивая четкая одноячеистая структура» наблюдавшаяся в

сухих вихрях, во влажных ИКВ обнаружена не была. Последнее, скорее всего, может быть объяснено тем, что во влажных вихрях поле плотности определяется не только полем температуры, но и полем влажности, которое усиливает плотностцую неустойчивость.

Из данных натурных наблюдений следует, что основными силами, работающими в- вихрях типа ТЦ, являются центробежная сила и сила радиального градиента давления. Исключение составляет лишь при- . водный пограничный слой, где существенную роль играет также сила трения воздушного потока о подстилающую поверхность. Эти положения целиком относятся и к модельным вихрям, рассматриваемым в настоящей работе. В связи со сказанным была проведена классификация модельных вихрей в зависимости от величины ^ и динамического числа Фруда /-1 = Ьа , которое применительно к рассматриваемым вихревым системам можно трактовать как обеэраз-меренную центробежную силу на боковой границе системы. Показано, что различные режимы структуры влажного ^КВ .могут быть разграничены семейством прямых линий вида • Щу^ау " = оемЬ , где величина { есть на что иное, какчепловое число Фру-да, которое обозначим через . Критерий Рь отражает соотношение между центробежной силой на периферии вихревой системы и . радиальным градиентом давления в ней, т.е. между основными силами, формирующими структуру вихрей рассматриваемого класса.

Полученные в работе материалы позволили проследить изменение структуры ИКВ влажного типа в зависимости от теплового числа Фруда. Так, наибольшую интенсивность и хорошо выраженный "глаз" имеют вихри в диапазоне чисел Ръ < 0,065. ДриРь*> 0,065 формируется вихрь без четкого "глаза" в центре. Исчезновение четкого "глаза" в центре вихря ведет к существенному изменении всей структуры вихря, как динамической, так к термической. Поэтому значение Рг * 0,065 будем считать критическим значением теплового числа Фруда Р%* .

Данные наблюдений за реальными Щ неплохо согласуются с предложенной классификацией, •

Анализ результатов экспериментов с привлечением материалов . наблюдений за некоторыми тайфунами и ураганами позволил предложить зависимость безразмерного радиуса максимальных скоростей в вихре от теплового числа Фруда: •

0,014 + 1,60/Ь* ( I )

Коэффициент корреляции между измеренными значениями и рассчитанными по формуле (I) как'по материалам лабораторного моделирования, так и по результатам натурных наблюдений, решен 0,96.

В $ 1.2.3 показано, что для тангенциальной составляющей скорости в вихрях рассматриваемого типа справедливо соотношение: 7Д /у

~ \ R. f

( 2 )

V*«

причем среднее значение показателя гь равно 0,5. Как показали эксперименты, аналогичного вида соотношение справедливо и для модуля горизонтальной скорости в вихре У . Однако значение эмпирического коэффициента а для горизонтальной скорости оказалось равным 0,57, т.е. несколько отлично от значения этого коэффициента для тангенциальной скорости. Коэффициент корреляции между измеренными величинами горизонтальной скорости Vma/, » ./WC и значениями , рассчитанными по формуле « т ( 1*)-0,57 Q использованием зависимости (I), составляет 0,96, Как показал анализ материалов экспериментов показатель /V зависит от Fx лишь при Fi <0,02. При больших значениях Fi величина и, не^меняется.

Величину tffox " можно рассматривать как степень

• кошентрированности вихря. Сопоставление величины Z£,ex и теплового числа Фруда'^г показало, что степень концентрированности ' вихрей рассматриваемого класса растет с уменьшением А* . Во влажных ИКВ скорость на радиусе максимальных скоростей может в 6-7 раз превышать периферийную скорость, что и наблюдается . в мощных ураганах и тайфунах. Вместе с тем, интенсивность влакт ных конвективных вихрей, характеризуемая максимальным значением горизонтальной скорости в вихре, изменяется с ростом числа Fl* не монотонно.

. В дальнейшем режимы конвективной вихревой системы будут характеризоваться значениями числа Fl .

В § 1.2.2 рассматриваются материалы измерений вертикального распределения горизонтальной скорости на периферии ИКВ. Измерения выполнэкы для вихрей, характеризовавшихся значениями числа Fi от 0,005 до 0,200. Показано, что основной особенностью вертикальных профилей горизонтальной скорости V^, на периферии вихря во всех исследованных режимах является наличие мак-

сиыума на некоторой высоте от подстилающей поверхности. Показано также, что в приводном пограничном слое, на периферии ИКВ вертикальное распределениеТгоризонтальнойскорости подчиняется логарифмическому закону, и найдены выражения для параметра шероховатости Ъ0 и динамической скорости . Взятые из литературы данные натурных наблюдений в периферийной области Щ Тэсс удовлетворительно согласуются с данными, полученными на модельном вихре.

В § 1.2.3 обсуждаются результаты исследования поля скорости в ИКВ влажного типа при различных значениях числа Ръ*~, Из анализа материалов измерений горизонтальных составляющих скорости в вихре следует, что наблюдались два типа вихревых систем, один из которых имел место при Рг < ^кр , а второй. - при F%* > Ръ ,<р . В первом случае на внешней границе вихревой системы преобладала тангенциальная, а во втором - радиальная .составляющая скорости.

Из экспериментальных данных следует, что радиальные распределения % (г*), для всех режимов вихревой системы имеют характерные черты. На некотором расстоянии от центра ( ЪтЛх) Tf^ имеет максимальное значение. В центральной части вихря на радиусах 1 /l-meuf í I линейно растет с роется радиуса: - coz , что присуще твердотельному вращению. На расстояниях 7 > Х^к значения ^ монотонно уменьшаются с ростом расстояния от центра вихря. На дальней периферии вихревой системы распределение тангенциальной скорости по.радиусу близко к закону , справедливому для потенциального вихря Щ ~ ( 'tyí*»«*) . Однако на меньших расстояниях от центра вихря этот закон на выполняется, и для разных режимов вихревой системы степень отклонения líj от указанной зависимости несколько различна.

Согласно экспериментальным данным в области вихря, ограниченной с одной стороны радиусом ^м*», а с другой радиусами, где для tfili) справедлива зависимость 7/Q ~ ( ^/^vw»)-*, распределение с точность» до 10 % аппроксимируется следующим образом: ' чГ. ' ■ i t

V^V £. 'Ш V (а!

где Л и Я/ - эмпирические коэффициенты. Расчеты показали, что для модельных вихрей, также как и для ТЦ, значения показателя

И, лежат в пре^элах 0,3 ^ & 0,7.

В режимах вихря при р%*< Рг ^ во всех районах вихревой системы выше приводного пограничного слоя скорость почти на меняется с высотой, т.е. - 0. При Рг.*> А такой харак-

тер изменения по высота наблюдается только в ядре (^/т-м^ < I) и в области вихря при ^ з. вблизи же в этом

случае ^ заметно падает с удалением от подстилающей поверхности почти по линейному закону.

Для радиального распределения радиальной составляющей скорости 11*1(1) для всех исследованных режимов на расстояниях от оси вихря Ъ* = ^/и > 0,1 наблюдается поток воздуха, направленный к его центру (положительное направление оси Ъ - от центра к периферии). Абсолютное значение сначала возрастает по направленна от перкфзрии вихря к его центру, а затем падает и на некотором Ъ - 2а достигает нуля и меняет знак. Радиус Ъв либо совладеют с радиусом максимальных скоростей, либо превышает его.

Радиальный профиль /'г) в центральной части вихря можно аппроксимировать зависимостью вида

- ^)^^(Ч-г) (4)

Здесь 4 - эмпирический коэффициент.

Основной радиальный поток в самом, вихре существует лишь на нижних горизонтах. За толщину слоя втока примем высоту, на-• чиная с которой либо равно нулю (при Ръ ), либо

становится малой величиной, практически не меняющейся по вертикали (при Рг* < ). В центре вихря (V?««'* < I) ПРИ всех исследованных режимах1на всех Еысотах наблюдался выходной радиальный поток ( тГ-ь > 0).

В предположении несжимаемости жидкости и осевой симметрии знание радиальных распределений осредненной скорости на

различных высотах сделало возможным расчет по уравнении неразрывности поля вертикальных скоростей. Во всех исследованных режимах влажного ИКВ в центральной его части вблизи оси имеет ыэсто нисходящий ток воздуха - здесь отрицательна. По мере удаления от центра абсолютные значения ¿С падают и на некотором расстоянии 1В < ^ от оси ^ меняет знак, т.е. нисходящее движение воздушных масс трансформируется в восходящее, ско-

рость которого достигает максимального значения в "стене глаза". С дальнейшим ростом расстояния от центра вихря 1ГЪ уменьшается. При Рг <Рг^ внутренняя циркуляционная ячейка, скорее всего, не проникает до подстилающей поверхности, в то время как при Рг > Рь ¿у нисходящее движение воздуха опускается практически до водной поверхности.

Проводится сравнение структуры поля скорости в модельных . вихрях с данными натурных наблюдений в Щ, которое позволяет сделать вывод, что физическая модель влажного ИКВ кинематически подобна центральной области р$звитого ТЦ без слоя оттока,

В § 1.2.4 обсуждается распределение давления и соотношение сил, действующих в горизонтальном направлении в рассматриваемой классе вихрей. Картина течения рассматривается в предположении стационарности, турбулентности и осевой сисмметрии и в предположении справедливости приближений Буссинеска.

Оценка отдельных членов уравнений динамики показала, что членами! содержащими молекулярную вязкость, можно пренебречь.

Распределение давления в модельных вихрях было рассчитано по уравнению для тангенциальной составляющей скорости ^. Расчет выполнен в предположении постоянства по высоте турбулентного потока импульса ( ). Как показано в главе 1.4, на-учет изменения величины { - с высотой принципиально не меняет формы распределения эрой характеристики по радиусу в по высоте, фи расчете поля давления использовались результаты исследования интегральных характеристик турбулентности ноля скорости, которые подробно обсуждаются в главе 1.4. А именно, использованы аппроксимации радиальных распределений дисперсий горизонтальных составляющих скорости:

1 ^г % > ( б )

Расчет перепада давления в вихре проводился отдельно для областей вихря при 1 £ (ядро вихря) и при 1 > Наличие в центре вихря двоения воздушных масс, близкого к твердотельному вращению, позволило записать уравнение движения в этой области вихря в виде: /„г \4 I. 221 . . О г ^г*.-, / ■

Инт<ирировыт<щ этого уравнения по радиусу, определялась вали-

чина р в районе вихревой системы, ограниченном радиусом .

При расчете величины р в области вихря при 1>Ъ*,Л!н учитывался характер изменения осредненных скоростей ^ и ^ с высотой. Расчет выполнялся по уравнению для составляющей 'скорости с использованием зависимостей (3), (4) и (5). Сшивая при 1 ■» решения для областей вихря 14 и 1> Т.*,** ,

получим перепад давления кал функцию радиуса во всей вихревой системе.

Результаты расчета величины р были представлены в безразмерном виде (}>-ро)/(роз~/*о) и построены в зависимости от величины Ч-/Я . Сравнение результатов расчетов давления в модельных вихрях с данными измерений этой величины в реальных ТЦ доказало их хорошее соответствие и возможность описания и виде соотношения, полученного Но^аи/ ( 1У-Ю) на основе анализа большого количества данных натурных наблюдений:

г ¿х^-о./г3) (6)

Диапазон изменения коэффициентов и. ив для ГД и для модельных вихрей совпадает. Таким образом, модно считать, что распределение давления в физической модели ИКВ влажного типа подобно распределению давления в нижней тропосфере развитого ЗЦ.

Полученные в работе данные позволили, используя уравнение для .Щ , рассмотреть баланс сил, действующих в вихре ко горизонтам. Оценки выполнены в'предположении, ^гх'7 ?') * = 0. Уравнение для можно записать в виде: Цп И & НС , где ~ <3алан° ме)кдг центробежной силой и - >диа-.льным градиентом давления, н = У >-Ре-Ш1е в радиальном направлении, !АС~ '^^[чт^)* сю-:л> '' обусловленные действием турбулентной вязкости. Все рассматриваемые силы отнесены к массе в единичном объеме.. Величины и5 , и С ¡4- определялись по экспериментальным данным, величина рассчитывалась из соотношения: МА « - у

Как показал анализ подученных данных, для формирования .структуры вихря основную роль играет баланс сил ^/ъ и а-, отношение которых и отражает тепловое число Фруда /~г . Именно их разбаланс является источником радиального ускорения, а следовательно, и радиальной скорости. Вблизи подстилающей поверхности в ядре вихря и в области, непосредственно присылающей к

ядру, силы, обусловленные турбулентной вязкостью, имеют тот ке порядок, что и величины UA , но противоположны по знаку. Порядок величины инерционного члена W6 , возникающего вследствие действия всех указанных выше сил, существенно меньше, чем порядок величин UA и UC , Во внешнем районе (ъ/ъ„лх >5) ускорение полностью определяется величиной UA и влиянием вязких сил здесь можно пренебречь.

§ 1.2.5 посвящен критериальному анализу. Из рассмотрения системы уравнений, описывающей динамику ТЦ, а также учета основных факторов, влияющих на их возникновение и формирование, ва-текагат следующие числа подобия:

число Эйлера

^^rvps" vZf-d турбулентное число Рейно-ьдса

fio ~ число Россби ( 7 )

Fi.* ~ тепловое число Фруда

A. йг15/о к число р£лея

Здесь V - масштаб скорости, % ■- линейный масштаб, 3е -параметр Кориолиса, который для ИД можно принять равным 5-10"° с , плотность воздуха. За вертикальный линейный масштаб

при расчете числа Релея для модельных вихрей принималась толщина приводного слоя воздуха, характеризующегося постоянным значением потоков тепла и влаги по вертикали (сы.§ 1.3.3). В вертикальном направлении за масштаб температуры бралась разность. мзлузу температурой водной подстилающей поверхности и верхней границы слоя постоянного потока тепла. Величина горизонтальной турбулентной вязкости для модели воздушного конвективного вихря была принята постоянной и равной 10"^ ы^с"? (сы. Главу 1.4). Коэффициенты вертикальной турбулентной тешературопровод- • ности и вертикальной турбулентной вязкости для модельных вихрей были определены путем рассмотрения балансов тепла и орбитального момента импульса и имели порядок 0,10 и б.соответственно (см.Глава 1.3 и 1.4). Аналогом параметра Кориолиса для модели ИКВ, как было сказано ранее, служила величина Щ/я . Характерные масштабы физических величин для физической модели атмосферного ИКВ приведены в таблице I, где указаны также масштабы аналогичных величин для приводимые Хаиным / Из таблицы следует, что отношение радиуса максимальных скоростей и радиусу моделируемой облагай вих^

Таблица 1

характерный масштаб щ

30

ТЬт*»-0 50

Я м 5-10'

^МЛХ И 5.10'

¿г М 10

Ъл А-1 ю1

_вих]эя.

;рный Щ модель '• вихря

м2с-1 50 •5* Ю-2

«V1 50 0,10

мб 40 Ю-2

°С I 40

°С I 20

кг-м"^ I 1,15

0,25 0,70 0,50 0,05 0,04

А* йр

{&Т)ъ

(лт)г 9а.

ревой системы для модельных вихрей и ТЦ равно 0,1.

По характерным масштабам, приведенным в таблице I, были рассчитаны числа подобия (7) для "Щ и модельных вихрей (см.табл.2). Значками "та*" и "» " отмечены числа подобия, построенные по различным масштабам длины и скорости: Ъ^ и или Ц и .

____________________Таблипа_2_

число гп I модель число тц подо бия_______вихря _ _ _подобия____

„ 4,5 14 £ И и»« 1,6

(¿¿ч)** 1,6. Ю2

МАУ 26

. вихря

8*10~2 6,7 2В

2-Ю5 •

о

Ю2

35

(Ръ*).

Но

5.10" 1.4

' 20

4,5*10

./Я/ОйЛ!____10_____6________1,5-10.

,-2

9-Ю

-2

Числа подобия со значком "г>ш " характеризуют внутреннюю динамику вихревой системы, числа из подобия со значком "¿» " отражают влияние внесших параметров на динамику вихревой систеш. Из критериального анализа следует, что на физической модели ЙКВ адекватно отражено соотнопеше между перепадом давления, и инерционными силами, имеющее место в природных аналогах таких вихрей, а также отношение между сила:в! инерции и силачи турбулентной вязкости. Отношение за*еихрекности на радиусе максимальных скоростей к завихренности на периферии вихревой систеш в модельном вихри имеет тот же порядок величины, что и в ЗЦ. И, наконец, для модели и её природного аналога близки и значения теплового числа Фруда.

■ Удовлетворительным можно считать и совпадение для модели и Щ чисел Рзлея, что особенно важно при моделировании термодина-

мической структуры интенсивных атмосферных вихрей.

Полученное по основным термодинамическим критериям подобие физической модели влажного конвективного вихря и центральной области нижней тропосферы развитого ГЦ позволило исследовать на лабораторной модели термодинамические процессы и механизмы обмена, характерные для реальных ураганов.

Результаты исследования механизмов тепло- и влагопереноса во влажных ИКВ рассматриваются .в Гл. 1.3. При этом в работе не исследуется механизм рециркуляции и не обсуждается также механизм выноса теша и влаги брызгами, которые заполняют приводный слой воздуха в зоне штормов ТЦ.

В § 1.3.1 излагаются результаты экспериментального исследования полей температуры и влажности, реализующихся в ИКВ при разных значениях теплово/о числа «руда. Показано, что при £-1 </г кр и Рг > Рг цр ИКВ различаются не только по динамической структура, но и имеют разную структуру полей температуры и влажности.

При А. < распределение ЬА (г) на всех исследованных горизонтах характеризуется резким спадом температура по направление от центра вихря к его периферии.

Для вертикальных распределений ¿с,(г) в центральной области ыихря при характерно наличие четкого максимума, рас-

положенного на некоторой высоте от подстилающей поверхности, ни-ко которого локализуется слой инверсии температуры. Положение и величина максимума температуры закономерно меняются»с удалением от оси вихря: значение ^ в ыаксицуме падает, а положение его на оси высот возрастает.

Во внешнем районе вихря при >3,5 температура монотонно падает с высотой и её вертикальное распределение хорошо описывается логарифмической'зависимостью вида:

■ <в)

где Ьг - масштаб температуры в вертикальном направлении.

Зависимости вида (в) удовлетворяют также и вертикальные профили температуры на радиусах ^Ди** < 3,6, но только на нижних горизонтах до слоя инверсиим температуры.

Цравомерность существования вертикального распределения температуры вида (6) во вкзшнем районе вихря и в токжоы приводном сдое (ниже иньерсин) можно оценить, испольвуя параметр Ионина-

-Обухова . Расчеты показали, что для областей вихря,

где наблюдается логарифмическое изменение ¿^ по высоте, параметр г/)к! << I, и, следовательно, логарифмический закон изменения т^д/г) здесь закономерен.

Для выяснения природы локального максимума на вертикальных профилях во влажном ИКВ была выполнена серия эксперимен-

тов с сухим конвективным вихрем, когда в качестве подстилающей поверхности в установив использовался металлический лист. В

случае сухого ИКВ область инверсии температуры значительно более растянута по вертикали, чем это наблюдается во влажном ИКВ, и аналогична инверсии, наблюдающейся при свободной конвекции (см. Часть 2, Гл.2.2). В случае же влажного ИКВ инверсия температуры имеет значительно больную интенсивность, чем в сухом, и, главно®, локализована в весьма узком интервале высот, что позволяет предположить наличие здесь локального источника тепла.

Второй тип структуры поля температуры реализуется в ИКВ при . В этом случае в центре вихря наблюдается область, гдз температура выровнена в радиальном направлении, и только начиная с 0,45 происходит резкое падение темпе-

ратуры вдоль радиуса.

. При рх'ърг ер в центре вихревой системы температура монотонт но падает с высотой и инверсионные слои на профилях ¿„ (г) ~де ъ отсутствуют. Инверсионные участки на профилях ¿¿/г) наблю; тс\-только начиная с ^Д»»* — 0,45. По мере приближения к Т,^ интенсивность инверсии растет, увеличивается и мощность ин зет, т.е. протяженность инверсионного слоя по высоте. При "Д,.., > I интенсивность инверсии начинает падать, а зона инверсионного хода температуры охватывает всю исследованную область высоту

На периферии вихревой системы, а таете в её центре и на всех-радиусах юоез инверсионных участков вертикальное распределение температуры монет быть описано логарифмическим законом (8). Следовательно й при.¿г >Рггк^ и этих областях ИКВ перенос тепла осуществляется градиентным механизмом. Однако в этих режимах вихревой системы градиентный механизм теплообмена имеет место и . в ее центре. '.

Согласно экспериментальным данным, в ИКВ существует область повышенных значений температуры, расположенная на некотором

расстоянии от подстилающей поверхности, Причем, если приУг^Л*, эта область сосредоточена в центре вихря, то при £г%>Рг*Кр она оттянута от оси вихря и принимает форку тора.

Дяя объяснения причины формирования указанной области повышенных температур проанализируем данные измерений поля относительной влажности е.. в конвективном вихре. При А*<Рг*^ во внешнем районе вихревой системы относительная влажность монотонно падает с высотой, и влажность, близкая к насыщению, наблюдается только у поверхности воды. С приближением а центру вихря монотонное изменение Ь по вертикали нарушается: начиная с некоторого горизонта, Ь увеличивается с ростом г и в центре вихревой системы достигает 100 %.

В режимах вихря при Р\?>Рг*11р 100 %-ная влажность в центре вихревой системы существует только на подстилающей поверхности и монотонно падает с высотой. По мере же удаления от центра вихря относительная влажность в вихре возрастает и достигает уровня насыщения в области радиуса максимальных скоростей. С даль- ■ нейшим увеличением радиуса область насыщения в этих режимах охватывает все больший диапазон высот.

Данные измерений относительной влажности в вихрэ позволяют считать, что локальным источником тепла, формирующим своеобразный вертикальный профиль температуры в вихревой системе является фазовый переход воды (конденсация). Таким образом, можно говорить, что в модельном влажном ИКВ на некотором удалении от подстилающей поверхности формируется локальный источник тепла -- теплое ядро, в образовании которого участвуют в той числе та- . кие же процессы, что и в реальных ТЦ.

Эксперименты показали, что различия в структуре полей температуры. и влажности для режимов вихревой системы, характеризующихся различными значениями числа р1*, связаны с особенностями динамической структуры вихря.

На физической модели ИКВ правильно отражены основные особенности в распределении температуры и влажности, наблюдающиеся в реальных ТЦ.

Результаты экспериментального исследования поля дисперсий пульсаций температуры и абсолютной влажности в ИКВ обсуждаются в б 1.3.2. Анализ полученных материалов показал» - что радиальные распределения величин- и всех режи-

ыах вихревой системы подобны и характеризуются наличием хорошо выраженного максимума, наблюдающегося на радиусах ^Д,^ 4 I. К центру и к периферии от этой области величины и убывают.

Положение на оси радиусов областей максимальных интенсивнсс-тей пульсаций температуры (влажности), тангенциальной и радиальной составляющих скорости не совпадают. Ближе всего к центру вихря (при Kln,^ ) расположен максимум величины fî^ < S^ ). Значения ( )*<>* локализуются вблизи радиуса максимальных скоростей, а ( - на радиусах, больших . экспери-

менты показали, что пульсации температуры и влажности в конвективных вихрях обусловлены не дкназгическимй- факторами, а имеют другую природу. ^

В режимах вихря при Fx >Pi мексям^Й'-'нМ" распределениях и $¿(2) оттянуты от центра вихфк" и^иШЮТ'Мёсто- в диапазоне радиусов 1 .

Дяй вертикального распределения величий'* г] в ре-

жимах вихря при

Fi <Рг кр в центральной части' в^фёЪШ^ейсте-мы характерно наличие области максимальных значений'," 'рИпоЬ&гэн-ной выше слоя инверсии« осредненной температуры и влажйосЖ ■ П|5к" ¿том интенсивность максимумов ff^. и наибольшая на ^ДчЛ' а 0,5 * 0,3. v

Для режимов вихря, характеризуемых числом Fx >Fi ^ локальные максимумы на распределениях наблюдаются на всех радиусах. Максимальная интенсивность пульсаций температуры и влажности при Fi*~>Fx*,:p наблюдается на радиусе максимальных скоростей.

В § 1.3.3 анализируются результаты исследования турбулентных потоков тепла и влаги во влажном ИКЗ. Расчет турбулентных потоков тепла и влаги в вихре был выполнен с использованием балансового метода исследований на основе экспериментальных данных о поле скорости, температуры и влажности. Уравнения тепло- И влк-гопереноса в конвективной вихревой системе были записаны в' iik— линдрических координатах в следующих предположениях: а/ стационарности, б/ осевой симметрии, в/ пренебрежении молекулярными механизмами переноса в вихре, г/ справедливости приближения Буссинеска. Вся исследуемая область конвективной вихревой системы была разбита на подобласти, представлявшие собой коаксиальные цилиндры с внутренним радиусом и йнешним и вы-

сотой - 2- . Внутри каждой подобласти с учетом граничных условий были проинтегрированы уравнения тепло- и влагопе-реноса. Полученные экспериментальные данные позволили определить поток влаги ТУс. • поступащий в вихревую систему механизмом испарения с поверхности, как функцию радиуса.

Выполнение логарифмического закона изменения влажности с высотой, о котором говорилось в § 1.3.1, дало возможность оценить . вертикальные масштабы влажности ^* на различных расстояниях от оси вихря. Зная и «До , можно рассчитать величмцу динамической скорости и^. , как функцию радиуса. С учетом значений

из выражения для масштаба температуры ¿д « -рассчитывался поток контактного тепла (величины масштаба ¿г для различных расстояний от оси вихря были определены по данным, приведенным в § 1.3.1). Значения Оъ_ и Л/с использовались в.качества граничных условий на подстилающей поверхности при интегрировании уравнений тепло- и влагопереноса.

Характер изменения температуры и влажности в вихре в радиальном направлении на различных горизонтах позволил для расчета • горизонтальных турбулентных потоков тепла и влаги использовать гипотезу о коэффициенте турбулентного обмена и положить коэффициенты турбулентной диффузии влаги и турбулентной температуропроводности в радиальном направлении одинаковыми и равными коэффициенту горизонтальной турбулентной вязкости, который определялся по данным инструментальных измерений (см.Глазу 1.4).

Имевшиеся экспериментальные материалы позволили оценить все составляющие баланса тепла и влаги1 в вихре на различных горизонтах, кроме вертикальных турбулентных потоков этих величин, которые и рассчитывались как остаточные члены из уравнений тепло- и влагопереноса после их интегрирования.

Анализ результатов вычислений показал, что го всех режимах вихря влиянием горизонтальных турбулентных потоков тепла и влаги на баланс этих величин в целом можно пренебречь. Последнее

хорошо согласуется с данными анализа структуры композиционного Щ.

Расчеты показали, что постоянство турбулентных потоков тепла '( срлй. 1Гг' ) и влаги ( ) п° вертикали в центральной

части вихревой системы выполняется лишь до уровней инверсии температуры и удельной влажности. £Ыше вертикальные турбулент-

ные потоки тепла и влети изменяются. На периферии же вихря потоки (^) и (Я»^'^' ) равны потокам тепла и влаги с поверхности на всех исследованных горизонтах. По мере уменьшения радиуса потоки ( ) и ( Й^'г^' ) возрастают, в ядре

вихревой системы - положительны и имеют четко выраженный пик. В слое иНверсии температуры и удельной влажности, имеющих место также в ядре вихря, будут положительны и .вертикальные Г] даенты указанных величин. Если предположить справедливость К-теории для этого района вихря, то в слое инверсии формально получи» отрицательные значения коэффициентов турбулентной диффузии влаги и температуропроводности воздуха.

В тех областях вихря, где по высоте имеет место логарифмическое распределение температуры и влажности, рассчитаны коэффициенты турбулентной температуропроводности и турбулентной диффузии водяного пара. Согласно оценкам эти коэффициенты можно счи^ тать одинаковыми и для рассматриваемых ИКВ имеющими порядок вё-' личины 0,1 А-*.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что в области ИКВ, где наблюдаются инверсии температуры л удельной'влажности К-пшотеза не применима. В этой области помимо механизма переноса тепла и влаги, свойственного мелкомасштабной турбулентности, имеет место и конвективный механизм переноса. Вертикальные турбулентные потоки тепла,и влаги, определенные методом балансов, в этой области вихревой системы представляют собой сумму потоков, обусловленных градиентным и конвективным механизмами обмена. "Турбулентные потоки ( ) и ^ )» обусловленные градиентным механизмом переноса, определяются потоками тепла и влаги с поверхности и не меняются по высоте. Оценку потоков тепла () и влаги ( ), и-'зкхцих конвективное происхождение, можно получить из соотношений:

( 9 )

Как показали расчета, потоки ( ) и ( име-

ют резкий пии в ядре вихря и по ыере удаления от центра вихревой скстеш бистро спадают до нуля.

При Pi > Рг Mj> конвективные потоки тепла и влаги в центральной части вихревой конвективной системы значительно превышают в области своего пика максимум потока, обусловленного градиентным механизмом переноса, и сравнимы со средним переносом тепла и влаги. Интенсивность конвективного механизма тепло- и влагоотво-да в режимах вихря при Рг > FzH по сравнению с градиентным механизмом переноса существенно меньше.

В § 1.3.4 на основе анализа данных о структуре полей скорости, температуры и влажности предлагается модель формирования теплого ядра во влажных ИКВ. При Рг*< Я*^ самое низкое положение максимума температуры на её вертикальном распределении наблюдается в центре вихря, с ростом радиуса максимум реализуется на больших высотах, т.е. как бы всплывает. Такую конфигурацию поля температуры в вихре можно объяснить особенностями динамической структуры центральной части вихревой системы, где имеет место нисходящий ток воздуха. Здесь оседающие воздушные массы оказывают гидродинамическое давление на нижележащие слои. Нисходящее движение воздуха в центре лихря препятствует отводу теп-, лых воздушных масс вверх. Выбросу же их из центральной части вихревой системы в горизонтальном направлении препятствует радиальный градиент давления.

Если внутренняя циркуляционная ячейка проникает нз до под- • стилакицей поверхности, а только до некоторого горизонта Zri-Q, как ато и имеет место при < P~¡*xp , то непосредственно под ней будет скапливаться теплый влажный воздух и возникнет зона плотностной неустойчивости,.которая по мере поступления тепла к влаги от подстилающей поверхности и в результате выделения тепла конденсации будет нарастать. При достижении плотностной неустойчивостью некоторой критической величины силы плавучести превысят силы гидродинамического давления со стороны нисходящи воздушных масс и произойдет тепловой пробой, в результате которого теплый влажный воздух устремится наверх. Шотностная неустойчивость здесь станет ниже критической и вновь наступит фаза накопления тепла и влаги и роста плотностной неустойчивости, что приведет к следующей конвективной разрядке. ¿этот процесс будет повторяться с некоторой квазипериодической частотой.

Так как в центр^Ь"0^ части вихревой системы центробежная сила превышает радиальный градиент давления, всплывание воздуи-

ных масс будет происходить не вертикально, а под углом к оси вихря. Ьтим и объясняется наличие относительно небольших максимумов на профилях '¿a.l'^) , измеренных на радиусах, где конденсация водяного пара согласно данным измерений относительной влажности, уже не наблюдается.

Проведена оценка скорости оседания воздушных масс, которая необходима для компенсации действия силы плавучести. Рас оты показали, что тепловой пробой в режимах вихря при Рг <Рг *р • возможен в области вихревой систеш вблизи радиуса » но

на расстояниях, меньших чем . Как следует из анализа про-

странственного распределения в вихре величин и , именно-на расстояниях от оси ЪД-тл* • 0,5 » 0,8 выше слоя инверсии температуры и влажности наблюдаются наиболее значимые максимумы этих величин, достигающие значений, сопоставимых с интенсивнос-тьв инверсий.

Известно, что в центральной области развитых Щ '.ajóse наблюдаются слои инверсии на распределениях ¿й Í2) , причем нижняя граница этих слоев, как правило, совпадает с нижней границей кучевой облачности, т.е.' с уровнем начала конденсации водяного пара. Представляется вероятным, что предложенный выше для физической модели влажного ИКВ механизм тепло- и влагоотвода имеет место и в природных ИКВ влажного типа.

В случае реализации обсуждавшегося выше механизма тепло- и влагоотвода, имеющего квазилериодичаский характер, полям те-эте-ратуры и влажности в центральной части ИКВ должен быть свойственен автоколебательный режим. Визуальные наблюдения показали, что таким колебаниям подвержен диаметр "глаза" модельных ИКВ. Квазипериодические колебания свойственны и "глазу" реальных ураганов ( Skimae/л, ¿976). Учитывая аналогию в структуре полей температуры и влажности в природных Щ и в физической модели ИКВ, можно допустить, что колебания диаметра "глаза" реальных "Щ также связаны с обсужденный выше механизмом тепло- и влагоотвода. Для подтверждения этого положения рассчитаны числа Струхаля, характеризующие безразмерную частоту автоколебательного процесса, которые для природного циклона и для модельного вихря оказались равными б-10"^ и 6,4-Ю-2 соответственно.

В главе 1.4 рассматриваются результаты исследования турбулентной структуры влажного ИКВ. По данным измерений были рассчитаны

дисперсия горизонтальных составляющих скорости ^ и N51.4. I), Показано, что для всех исследованных режимов конвективных вихрей радиальные распределения величины на всех уровнях

достигают максимального значения в области радиуса максимальных скоростей, т.е. там, где имеют место наибольшие градиенты . Из экспериментальных данных вытекает, что для на всех вы-

сотах «о -вихре за исключением тонкого приводного слоя может быть предложено выражение вида: «= 0,15 2(5 » которое с учетом фарада (4) дает первое из выражений (5). Указанная зависимость справедлива для области вихревой систеш при ^Дад* >1.

-Измерения показали, что в целом в вихревой системе среднеквадратичные значения пульсаций скорости ТГ-^ имеют тот же порядок., ,что и бч? , и для бХ может быть предложена зависимость вида ^=0,19 1^ , приводящая ко второй зависимости (5).

Положение максимума величины отслеживает положение точки радиуса 10 , где осредненная радиальная скорость меняет' знак. В этой области радиусов в вихревой системе происходит столкновение двух радиальных потоков: входного, идущего от перифе- . рии к центру, и выходного, направленного от центра к периферия, что и обусловливает здесь высокую степень интенсивности турбулентности радиальной составляющей скорости. Таким образом, пульсации тангенциального и радиального компонентов скорости в конвективном вихре определяются динамическими факторами и характеризуют степень турбулентности течения в вихре.

.В § 1.4.2 изложены результаты исследования распределения в ■¡ вихре горизонтального турбулентного потока ишуль-са ^

.Во;.всех исследованных режимах конвективного вихря на нижних горизонтах, где имеет место хорош выраженный вток воз,пуЕных ыасс, (-величина ( УъЩ'), которая в предположении постоянства плотности воздуха характеризует величину {'^^¿Щ1 , ), положительна на всех радиусах. Последнее хорошо согласуется с тем, что в этой области высот вихревой систеш имеет мосто только градиентный механизм переноса (см.§ 1.3.1-1.3.3). На этих высотах в некоторой области радиусов, включающей в себя как радиус Что^ , .так и % , величина ( Т^тГ^ ) достигает максимального значения. К периферии вихревой системы ( Ъгг'г^1 ) монотонно падаот.

Совместный анализ распределения скорости ^ и величины ( ) позволил определить коэффициент горизонтального . .

турбулентного обмена в вихре. Показано, что знак коэффи-

циента_^гц полностью определяется знаком ( ' ): если ( Щ/'Щ' ) > 0, то и > 0, если же ( Г7'тг^ ) < 0, то 0.

Согласно экспериментам в пограничном слое вихревой системы при величина ( 1Гг') > 0. На уровнях, где ради-

альным переносом можно пренебречь, (1Гъ — 0), сразу за ?„ , отмечаются отрицательные значения величины ( ) и в этой области вихря возможна перекачка ¡энергии от турбулентных вихрей в энергию осредненного движения ( ^^ < 0). Механизм отрицательной вязкости в ИКВ реализуется, начиная с некоторого уровня, в области максимальных тангенциальных скоростей. Совместный анализ данных исследования полей скорости, температуры и влажности выявил, что эта область вихря совпадает с областью плотностной неустойчивости, формирующейся з центральной части сихря над слоями с инверсионным вертикальным ходом тегшературьи и влажности. В результате реализации этой плотностной неусто{У-чиеости, как это отмечалось в Гл.1.3, возникают когерентные конвективные структур^. Резкий выброс воздушкых масс, 'имеющий место в момент "теплового пробоя" в вихре, приводит с одной стороны к падению давления в его центре, что обусловливает появлений пульсаций радиальной составляющей скорости, направленных к й<знтру вихря, т.е. ^г <0. С другой стороны выброс теплых влажных масс увеличивает центробежную силу, т.е. создает пульсации Уи > 0. Следовательно в этой области вихря величина ( ) может быть меньше нуля и < 0.

Приведенные данные свидетельствуют о связи механизма отрицательной вязкости в конвективных вихрях с взрывным характером тепло- и влагопереноса, свойственным ИКВ. Именно этим ыеханиз-иом и кокно объяснить существование суперградиентных ветров в центральной области ураганов и тайфунов, как это и предполагал 6-иу { ). *

В $ 1.4.3 исследуется пространственное распределение вертикального турбулентного потока т¡пульса в ИКВ. Использован балансный ютод исследования н расаготреи баланс орбитального мо-кзнта импульса (^'¿Л "А ) а тех к» предположениях, что и ба-л&ксп топла и влаги (см.б 1.3.3): При шгазгрироиании уравнения для орбитального цомеита иыпульш на подспиогцзй поверхности

учитывалось трение о поверхность. Имеющиеся экспериментальные данные позволили рассчитать все члены в этом уравнении, кроме' ( ~гГг К который и определялся как остаточный член.

Оценено соотношение средних и турбулентных потоков орбитального момента импульса и определено его пространственное распре-деление. Путем инструментального определения величины ( )

показано, что влияние горизонтального турбулентного потока им- . пульса на баланс орбитального момента импульса в целом невелико и в первом приближении во всех районах вихря им можно пренебречь .

Для всех районов вихревой системы потери на тренио о подстилающую поверхность на радиусах > Т-тс-у, существенно иекьэе среднего потока импульса, ко сравнимы с вертикальным турбулентным потоком количества дв;сяения. В области %в < потери ш трение много меньше к вертикального турбулентного потока им- ■ • цульса и здесь трением о поверхность когаго пренебречь.

Из сопоставления пространственного распределения величин ( Щ' ) к Щ(г) следует, что для всех режиков вихревой сис- • темы в ядре вихря { К7тм ) и в районе "стены глаза" . ( 'ь - Хгл^х ^ 3 области высот, превызавщих шсоту слоя швер-сии температуры и влажности, знак я величин ( . ' ) л

противоположны, т.е. в згой области влажного конвективного воздушного в;«ря возможен анатпьниЯ перенос кшуяьса в вертикальном направлении. Области аномального переноса ии~ пульса ( -¿а.'^'^г' > и ( -¡^^г'ч ) хорошо согласуются мззду-собой, что позволяет предполагать, что механизм формирования их имеет одну к ту природу.

Для всех остальных районов вихря, за исключением вышеуказан- . них, знаки величин ( -) и совпадает и, следова-

тельно, осуществляется градиентный механизм переноса импульса в вертикальном направлении, свойственный мелкомасштабной турбулентности. Для этих районов вихря был определён коэффициент турбулентной вязкости "^г^ в вертикальном направлении, который имеет порядок 5-10"^

Полученные материалы позволили предложить параметризацию вэ- -

личины ( - ) для различных районов ИКВ. _

Для ядра вихря во всех режимах величина ( ~ ^¡г'^а' ) можгт быть записана в виде: -

' (Ю)

где со - скорость вращения воздушных масс в ядре вихревой системы, - функция тока. Из соотношения (10) вытекает, что в ядре ИКВ вертикальный турбулентный поток импульса и средняя вертикально-радиальная циркуляция взаимно компенсируют дпуг друга, де^ правомерным для этой области приближение твердотельного вращения воздушных масс. у

Для внесшего района вихря при Рг <М ^ и для его периферии при рг*>р1 величина ( - Щ'^г') может быть выражена зависимостью:

+ ' си)

Величину в этом случае нельзя считать постоянной вели-

чиной ; а' следует рассматривать как функцию радиуса и высоты.

В области "стены глаза" в режимах вихря при ¿г > Рг выражение (II) неприменимо и здесь имеет место соотношение:

1-^) ' -г^З'-^вН ™ )

Выражения (10), (II), (12) являются способами параметризации величины ( - ЗС/^а' ) Для различных районов ИКВ.

В 5 1.4.4 на основа данных измерений полей скорости, температуры и влакности рассматривается баланс кинетической энергии осродненного движения в вихре. Оценивается роль средней вертикально-радиальной циркуляции, работа сил градиента дайленйя и суммарного эффекта турбулентных вихрей в формирований кинетической энергии осредненного движения в различных облесТяйС вихря при разных значениях числа Ръ* .

Часть первая заканчивается выводами.

, Вторая часть работы посвящена изучению тепло- " вдаг сайге из в системе вода - воздух в условиях свободной конвекции и конвекции при слабом адвективном переносе.

В $ 2.1.1 описываются вертикальные распределения температуры в пригодном слоз атмосферы, измеренные над природными водоемами в условиях неустойчивой стратификации плотности при штиле илй при слабых ветрах. Показано, что в тонком приводном.слое возду-

х& на вертикальшк -профилях температуры имеет место слои инверсии. бпектры пульсаций температуры в условиях неустойчивой пло-тностной стратификации характеризуются наличием четкого максимума и быст&з -спадают с ростом частоты. Инверсионные участки на вертикальных ¡распределениях температуры в приводном слое атмосферы иабдодаются и в случаях, когда температура воды несколько ниже Фампаралуры воздуха, т.е. в условиях, когда температурная стратификация в воздухе положительна.

В 5 2.1.2 на материале натурных наблюдений исследуется влияние плотностной неустойчивости приводного слоя воздуха над природным водоемом на турбулентную структуру поля ветра при малых скоростях последнего (ии 4 2,5-3,0 м*с~Ъ. Расчет анизотропии пульсаций составляющих скорости ветра показал, что масштабы продольной и поперечной составляющих пульсаций практически равны между собой, масштаб же вертикальной составляющей скорости почти в £,5 раза превышает масштаб продольной составляющей. Следовательно, плотностная неустойчивость воздушных масс ведет к образованию в приводном слое воздуха трехмерных конвективных эле-, ментов, вытянуты\ в вертикальном направлении.

В § 2.1.3 изложены материалы натурных наблюдений, позволившие определить связь между коэффициентами турбулентной температуропроводности Нь и турбулентной вязкости в зависимости от числа Ричардсона. Исследование выполнено на основе анализа суточного хода коэффициентов и "О в поверхностном слое пресного водоема в летнее время и на основе данных синхронных измерений турбулентных потоков тепла и импульса в пригодном слое атмосферы над естественным водоемом.

Оценивается изменение с числом Ричардсона величина ■ » I/Ргпг . Полученные в работе данные хорошо согласуются с результатами других исследователей.

В главе 2.2 рассматриваются результаты экспериментального исследования структуры пограничного слоя вода - воздух в условиях свободной конвекции.

Описание экспериментальных установок, измерительной аппаратуры и методик измерений дается в 5 2.2.1.

В 6 2.2.2 анализируются результаты экспериментального изучения теплового пограничного слоя вода - воздух в штилевых условиях при наличии значительного теплового потока из вода в ат-

•

носферу. Предлагается модель формирования вертикального распределения температуры с инверсионным ходо» последней в некотором интервале высот над нагретой водной: поверхность». Показано, что структура теплового пограничного слоя над выхолаживающейся поверхностью природного водоеш в отсутствие ветра! или при слабом адвективной переносе аналогична структуре теплового пограничного слоя, реализующегося в лабораторных экспериментах при неустойчивой стратификации плотности в системе вода - воздух * условиях свободной конвекции.

В 5 2.2.3 на основе данных инструментального измерения вертикальных распределений температуры и влажности в приводном слое воздуха в условиях развитой свободной конвекции определены числовые константы С и С ' в законах Ь ~ и £ ~ г"' 3 соответственно. Анализ экспериментальных материалов показал, что в условиях развитого свободно конвективного движения от» закономерности выполняются на высотах, где число Рэлея превышает значение 1100, т.е. на высотах, где в соответствие с условиями обсуждающихся экспериментов определяющую роль в порождении турбулентности играют силы плавучести, а вклад динамических сил трения о подстилвхшую поверхность в возникновении турбулентности практически равен цуло. В результате получено: С =• 1,0Й -t 0,06 и с' ■ 0,93 - 0,14, т.е. среднее значение коэффициентов С и с/ близко к единице.

В 5 2.2.4 рассматривается структура теплового пограничного слоя вода - воздух в условиях свободной конвекции при малых перепадах температуры между средами (-2,5 °С < < +2,5 °С), что является характерным для природных условий. Результаты зондирования пограничного теплового слоя вода - воздух показали значительную переслоенность поля температуры воздуха вблизи границы раздела, реализуюиуюся вследствие одновременного действия сия плавучести и сил вязкости. Так, формируется область слабой сЛоистой конвекции в тепловом пограничном слое, которая мо- * ает трактоваться как область слабой термической тербулентности.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что плотиостная конвекция в воздухе может реализоваться и тогда, когда температура водной поверхности несколько меньше температуры воздух«: в этом случае осуществляется влахносткая конвекция. Конвекция такого типа наблюдалась в природных условиях на оз.Севан (сц.

5 2.1.1).

§ 2.2.5 посвящен результатам исследования температурного режима водной поверхности в условиях свободной конвекции, что необходимо для понимания природы формирования структуры поля температуры в тонком тепловом пограничном слое вода - воздух. Исследования выполнены с использованием тепловизора АСА-680|1У , позволяющего исследовать температурное поле 10-ти микронного слоя воды. Выявлена мозаичность картины поля температуры водной поверхности в условиях свободной конвекции.

Все изложенные выше материалы относятся к условиям развитого свободно конвективного движения в системе вода - воздух. В то же время процесс становления свободной конвекции, т.е. процесс перехода от безразличной стратификации к неустойчивой, и связанная с этим трансформация поля■температуры водной поверхности, практически не исследованы. Результаты исследования процесса формирования поля температуры водной поверхности при развитии свободно конвективного движения изложены в § 2.2.6. Исследования выполнены на примере воды, охлаждающейся с поверх- ' ности. Применялись три независимые метода исследований. Для получения картины температурного поля водной поверхности использовалось более совершенное тепловизионное оборудование фирмы АГША, обладающее лучшей точностью измерения температуры и лучшей разрешающей способностью по горизонтали. Для получения вертикального распределения температура в трехмиллиметровом поверхностном слое воды были использованы пять микротер-мисторов ¡11-67. Помимо температурных измерений пробрилось также исследование поля конвективных скоростей, возникающих в процессе формирования свободно конвективного движения - для этой цели был использован метод РН-индикатора.

Совместный анализ термограым и картин поля поверхностной температуры воды показал, что во всех исследованных режимах в первую секунду после начала процесса охлаждения водной поверхности в тонком приповерхностном слое воды формируется микроконвекция, которая на горизонтах ниже I ш уже не прослеживается. Были определены горизонтальные и вертикальные масштабы ячеек микроконвекции, • период и амплитуда пульсаций температуры в отдельных ячейках и по этим данным рассчитаны диела^олея и . Марангони. Число Рэлея для ячеек Ш1фоконвек^ШУд^5ттЬ,Нло все-

го нескольких единиц, а число Еарангони оказалось равным ~ 4в, т.е. близким к критическому значению этого- критерия. Таким образом, согласно экспериментальным данным В' перпле моменты выхолаживания водной поверхности в тонком слое чистой'воды формируется термокашшхяркая конвекция Марангони,. ячейки которой образуют в тонком приповерхностном слое воды штотнуй- упаковку.

Со временем в тонком поверхностном слое вода; помимо' к кро-термоконвекции Марангони начинает фбрмироваться конвекция большего масштаба. Использованный в работе метод визуализации конвективных скоростей позволил проследить процесс формирования более крупномасштабной конвекции и рол» в этом процессе микроконвекции Марангони. Показано, что в процессе становления свободно конвективногй движения в воде, охЛажДяющейся с поверхности, микротермсконвекция Марангони является механизмом, интенсифицирующим формирование термогравитационной неустойчивости.-

В § 2.2.7 рассматриваются результаты экспериментального' определения критического значения числа Рэлея для условий разШг-того свободно конвективного движения в воде, ооакдающей'ся'оПО-верхности. При расчете числа Рэлея за линейныЛ масштаб прйвгца''-лась приведенная толщина холодной пленки в воде -С = Величины ¿^ я /¿^определял и сь по осциллограммам записей1 • теьтлературы в тонком приповерхностном слое охлаждающейся с поверхности вода."

Критическоэ значение числа Рэлея реализуется з момент разрушения теплового пограничного слоя при достижении последним критического состояния, связанного с нарастанием в нем плотностной неустойчивости. Моменту, предшествующему разрушению теплового пограничного слоя, соответствует максимальная толщина холодной пленки. Ути моменты определялись по записи температур в пограничном слое и соответствовали минимальным значениям тешературы, регистрировавшейся термистором, расположенным на нижнем горизонта измерений = 3,2 им.

Расчет числа Рэлея указанным способЬм дал значение 1105, что хорошо согласуется с величиной 1100, полученной теоретически (см.Ландау Л.Д., Лхифииц Е.И. ЮЪ ) для пограничного слоя . с одной жесткой и одной свободной границами. Таким образом, /2л." ж ЦОО следует считать .критическим значением для условий обсуждающихся о настоящей работе экспериментов.

Глава 2.3 посвящена исследованию влияния аэрации водной массы на тепло- и влагообмен в системе вода - воздух.

Б § 2.3.1 обсуждаются вертикальные профили температуры и влажности, полученные в тонком приводном слое воздуха над нагретой водной поверхностью. Измеренные распределения Ьа.(ъ) и абсолютной влажности ¿(ь) построены в общепринятых безразмерных координатах. Сравнение профилей ¿^ (• измеренных "над остывающей водной поверхностью, с аналогичными вертикальными распределениями над жесткими нагретыми горизонтальными плоскостями, полученными различными авторами, показало их отличив. Для исключения возможности методических ошибок в работе были промерены профили над водной поверхностью, закрытой полиэтиленовой пленкой, т.е. в условиях отсутствия испарения на подстилающей поверхности. Результаты этих измерений хорошо совпали с данными других авторов, полученными в сходных условиях. В этом случае хорошо совпали и значения контактного потока тепла в воздухе О-а, , рассчитанные по диффузионной формуле и по параметризации, предложенной Г.С.Голициным и А.А.Грачевым для. условий свободной конвекции.

Анализ вертикальных распределений , порученных над

нагретой водной поверхностью, показал, что отклонения их от аналогичных распределений над жесткими нагретыми плоскостями • было тем больше, чем больше было расхождение между потоком влаги М , рассчитанным по измерявшемуся инструментально убыванию уровня воды в установке, и аналогичным потоком ^е , ш- • численным по диффузионной формуле. Полученные в процоссе зкепе-риментов материалы позволили проанализировать условие выполнения теплового баланса на-поверхности раздела вода - воздух, замыкание которого является главным критерием правильности независимых оценок отдельных потоков тепла, входящих в баланс. При этом потоки тепла в воде и в воздухе рассчитывались по формула;.!

!?/-<> Цу^с 13 >

Потери тепла на испарение определялись как

где ¿/ - теплота парообразования. Для оценки потерь тепла на

[эффективное излучение использовалось соотношение:

ая -- Mrl-V) <i5)

Расчеты показали, что при определении составляющих теплового баланса на водной поверхности по указанным выше зависимостям, последний сходился с хорошей точностью (расхождение не превышало I %). ■

Для расчета потоков , и использовались так-

же параметризационные зависимости этих величин, предложенные Г.С.Голициныы и А.А.Грачевым. Оказалось, что при таком методе расчета составляющих теплового баланса на границе раздела вода ¿ воздух, степень расхождения последнего резко возрастала, достигая в ряде случаев ЬО %. Это обстоятельство свидетельствует, что в рассматриваемых в настоящей работе условиях существует некоторый механизм выноса из воды тепла и влаги, не учитываемый законом теплопередачи, на основе которого получены параметризации Г. С. Голицына и А,А..Грачева. Такой механизм выноса тепла и влаги иожет быть связан с аэрацией водной массы, поскольку в опытах использовалась водопроводная вода, которая к тому же подогревалась с помощью электронагревателя до нужной температура. И хотя эксперименты начинались через 10-15 мин после отключения и уда-• ления нагревательного элемента, когда вода была совершенно прозрачной на вид и полностью успокоившейся, тем не менее, каш показало фотографирование в отраженном свете тонкого гтркводтого слоя воздуха над водной поверхностью, имел место вынос келвчай!-. ших пузырьков газа, сопровождавшийся образованием шкробрйй^'.-Если время выстаивания воды составляло , б часов и болееу tfo расчет составляющих теплового баланса по параметризациям Р. Й.Голицына и А.А.Грачева и зависимостям (13) - (14) давал одМШЬёые результаты. Таким образом, можно предположить, что в ycjibaiftöc свободной конвекции над нагретой водной поверхностью сущес^йубт механизм выноса тепла и влаги из воды, связанный с её aopái^feJÍV , на который до сих пор не обращалось внимания.

В 5 2.3.2 на основе большого однородного экспериментально*^ материала проведено одновременное определение числовых коэффициентов в параметризашонных зависимостях, предложенных Г.С.Го-» лнцыным и A.A.Грачевым для потоков явного и скрытого тепла .на границе раздела вода - воздух в условиях свободной конвекции.

Эксперименты проводились с хорошо выстоявшейся водой (время выстаивания превышало 5 часов), чтобы избегать влияния аэрации водной массы на тепло- и влагообмен между средами. Показано, что в случае, когда водная масса практически не-аэрирована, с удовлетворительной точностью числовые коэффициенты в параметри-зационных зависимостях' для потоков •

, ¿2, и (Я

иъ можно считать одинаковыми неравными 0,14.

В § 2.3.3 изложены результаты экспериментального исследования вертикального твпло-массообмена у границы раздела вода -воздух в условиях свободной конвекции и предварительной аэрации испаряющейся воды.

В экспериментах контактный поток тепла в воздухе и в воде определялись по формулам (13), потери тепла на эффективное излучение водной поверхности - по закону (15). Молекулярный поток водяного пара над поверхностью вода вычислялся по диффузионной формуле (14). Убывание воды в установке {Л ) в течение воемени оценивалось по формуле М » • Вела-чины Ц* , Ц» , % ,§§- , т; Я 71 изменись инст- . рументально.

Расчеты показали, что в случав аэрированной водной массы убивание воды М , рассчитанное по , систематически превышало потери воды Jliс молекулярным механизмом испарения с вод-ной поверхности, определяемые по сто превышение достигало 30 %, а в некоторых случаях и больше. Полученный результат подтверждает вынос из аэрированной водной массы пузырьков газовой компоненты, сопровождаемый образованием микробрызг.

С учетом сказанного уравнение баланса массы на поверхности испаряющейся воды следует записать в виде;

-ли . '< 16 )

где Jitw - направленный вверх поток воды в микрокаплях, кглс-га»-щих с водной поверхности.

Независимые оценки составляющих баланса- массы (16) проводятся с использованием балансовых уравнений, включающих в себя в качестве слагаемых характеристики, определявшиеся экспериментально и охватывавшие весь ряд измерявшихся в ходе экспериментов величин, в том числа и ЛU

Рассматривается предложенное A.B.Казанским уравнение баланса

* потока энтальпии и диффузионных потоков тепла в тонких слоях воздуха над поверхностью воды и в самой воде вблизи границы раздела, комбинация которого с балансом массы (16) позволила получить первое независимое балансовое уравнение, все члены которого оценивались прямыми измерениями;

-сгЛнИ-лДгГ(

Интегрируя по всей глубине уравнение переноса тепла в воде, записанное с учетом полного выражения для энтальпии воды, получим уравнение, комбинация которого с уравнением (17) дает второе независимое балансовое соотношение

А* (18 }

Полученные балансовые соотношения (17) и (13) справедливы в условиях идеальной тепловой изоляции боковых стенок и дна установки» При проверке этих соотношений применительно к обсуждао-щиыся экспериментам учитывался еще один член, характеризующий тепловые потери через дно и боковые поверхности установки, ко— торые оценивались в процессе эксперимента.

Балансовые уравнения (17) и (16) позволяют определить величину Мс • Расчеты показали, что расхождение величин Л^ , определенных по и из балансовых уравнений (17) и (18), незначительно, что свидетельствует о надежности измерений величины Мс I а также и других величин, входящих в (17) и (18), Подстановка измеренных инструментально величин Л/ , уй^ , • » величины /Ну, , найденной по (16), и потока 0-я , рассчитанного по (15), в уравнение баланса энтальпии показала, что расхождение сумм членов, стоящих в левой и правой частях этого уравнения, нэ превышает I %.

Таким образом, выполненные оценки дают предстааление о надежности и точности проведенных измерений, в том числе и о надежности определения величины Лщ •

Полученные результаты позволяют утверждать о существовании в условиях свободно конвективного движения на поверхности аэрированной воды направленного вверх потока массы в виде мелких капельных, брызг, выносимых с водной поверхности. Этот поток может бить ощутимой величиной, по сравнению с потоком водяного пара,

уходящим с поверхности аэрированной испаряющейся воды.

После главы 2.3 формулируются основные выводы, полученные в части 2.

Ü заключении сформулированы результаты диссертационной работы, которые приведены в.разделе автореферата "Основные научные результаты".

результаты работы изложены в 52 научных публикациях» основные из которых следующие:

1. Суточные колебания коэффициентов турбулентной температуропроводности и турбулентной вязкости в пресном водоеме // Метеорология и гидрология, 1970. С.88-9Ь /со Сперанской A.A./.

2. 0 структуре воздушного потока в непосредственной близости от взволнованной водной поверхности // Изв. АН СССР, ОАО, 1970. т.6, W6. С.6Ь2-6Ь4 /со Сперанской A.A./.

3. Волосной гигрограф // Информационные материалы по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений // Ы., 1975. .

. Сб.63, С.5-8 /со Сперанской A.A., Сухановым В.П./.'

4. Исследование плотностной структуры тонкого пограничного слоя вода - воздух // Вестник МГУ, сер.Физика, Астрономия, 1977. т.18, №4, C.I7-25 /с Пивоваровыы A.A., Сперанской A.A., Сухановым В.П./.

5. О механизме возникновения конвективного движения в тонком приводном слое воздуха // Изв. АН СССР, ФАО, 1977. т.13, №3. С.320-324 /с Пивоваровым A.A., Сперанской A.A., Сухановым В.П./.

6. Расчет периода автоколебаний в режиме свободной конвекции // Изв. АН'СССР, ФАО, 1977. т.13, ЫО, С. 1105-1108 /со Сперанской A.A./.

7. Иодель атмосферного вихря // Изв. АН СССР, ФАО, IS8I. т.17, W7. C.76Ö-772 /с Беловым D.H., Сперанской A.A., Шандиным В.С/

Ö. О физическом моделировании атмосферных вихрей // Взстн. ЫГУ,' сер.Физика, Астрономия, 19Ö1. т.23, }КЗ. С.98-100 /с IVceKsä A.M., Сперанской A.A., Шандиным B.C./. 9. Физическое моделирование атмосферных вихрей с характеристиками, близкими к характеристикам урагана // Тропическая метеорология. Л., Падрометеоиэдат, I9Ö2. СЛЬ-22. '

IQ. О структуре поля скорости в лабораторной модели атмосферного вихря И Изв. АН СССР, ФАО, 1982. т.18, W?. C.76I-763 /с Кунаевым A.C., Сперанской A.A., Шандиньм B.C./.

II. К вопросу&геплобмена в токхои пограничном слое вода - воздух // Изв. АН СССР, »АО, 1983-, #Л9, »9. C.9ÖI-9B6 /с Беловым D.H., Никитиной Е.А,» Сгмрамежой A.A./.

12; Физическое моделирование «рвпичвеадк ураганов // Сб. фиро-да океана. Ы., ЙПУ, 196Э, С,4ft Белова» D.H., Сперанской А,А., Шандиным

13. О боковом турбулентной» чрею» я перепаде давления в модели атмосферного вихря // Из». Art СССР, <&Ш, 1983. т.19, JW. С.878-681 /со Сперанской A.A., Шандиным B.C./.

14. О структуре холодной пленки в пограничном слое вода - воздух // Изв. АН СССР, «АО, 1934. т.20, »9, С.848-85Э /с Беловым D.H., Сперанской A.A./.

15. Интенсивный атмосферный вихрь типа смерча над водной поверхностью // Сб.Круговорот вещества и энергии в водоемах // Иркутск, Изд-во СО АН СССР, 1985. вып.У. С.8 /со Сперанской A.A./. '

16. Термодинамическая структура пограничного слоя вода - воздух //Сб.Круговорот вещества и энергии d водоемах.// Иркутск, .Изд-во СО АН СССР, 1985, вып.У, С.5-7 /со Сперанской A.A./.

17. О температурном режиме водной поверхности в условиях свободной конвекции U Изв. АН СССР', ФАО, 1985. т.21,»10. С. 1118-III9 /с Ивановым В.Н., Инйехиным Juli., Сперанской A.A./.

18. О зависимости толщины приповерхностного ламинарного слоя воды от скорости ветра// Водные ресурсы, 1986. )f=6. С.ШЗ-169 /со Сперанской A.A., Шигаэвым В.В./.

19. О расчете перепада температуры в холодной пленке водоема

• //Метеорология и гидрология, 1986. В>5. С.104-106 /со Сперанской А.А,, Шигаевьм В.В./.

20. О влиянии определяющих параметров на структуру воздушного вихря //Труды ИЭИ, 1986, вып.39/122. С.91-96 /о Ивановым В. Н.» Сперанской A.A., Шандиным B.C./.

21. Физическая модель интенсивного атмосферного вихря //Труды

- Ц2Ы, 1986, вш.39/122. Q.84-91 /с Ыилехиным Л.И., Сперанской A.A., Шацдинмц B.C./.

22. Состояние и перспективы развития работ по лабораторному моделированию ТЦ // Тропическая метеорология. Ji., Гидроме-теоиздат, 1967. С.76-67 /с Ивановым В.Н., Ыартыненко О.Г., Павловым Н.И., Соловьевым A.A., Солодухиным А.Д., Сперанской A.A., Федорей В.Г./.

23. Физическое моделирование Тропических циклонов //Тропическая метеорология. Ji., Гидрометеоиэдат, 1967. С.97-104 /с Иилехи-ным Ji.H., Сперанской A.A., Шандиным B.C./.

24. Структура полей температуры и влажности в конвективных интенсивных вихрях //Труда ИЗД. 1967, вып.42/127. С.53-59

/с Иилехиным А.И., Сперанской A.A./.

25. О горизонтальном турбулентном потоке импульса в интенсивном конвективном вихре // Изв. АН СССР, ШАО, 1997, т.23, JW. С.992-996 /с Матхеевым С.С., Сперанской A.A./.

26. О вертикальном турбулентном потоке импульса в конвективной вихревой системе //Тропическая метеорология. А., ¡Чарометео-издат, 1967. C.I30-I37 /с Цатхеевым С.С., Сперанской A.A./.

27. О турбулентной структуре приводного слоя атмосферы в условиях неустойчивой температурной стратификации //Изв. АН СССР, ФАО, 1987, Т.23, №3. C.893-ö§6 /со Сперанской A.A./.

28. О формировании конвективного движения в приводном слое воздуха //Водные ресурсы. 1987, Щ, С.47—51 /со Сперанской A.A., Сперанской O.A., Шигаевым В.В./.

29. Физическая модель интенсивного атмосферного вихря над водной поверхностью //Сб. Ученые МГУ - науке и производству. Ы., МГУ, 1989. С.29-30 /со Сперанской A.A./.

30. Механизмы обмена и турбулентность в интенсивных вихрях //Тропическая метеорология. Ji., Гидрометеоиэдат, 1989. с. 6776 /с Ивановым В.Н., Милехиным Ji.H., Сперанской.A.A./.

31. Физическое моделирование в лимнологии //Первая Верещагинская Байкальская международная конференция. Иркутск, СО АН СССР, I9B9. С.37-38 /со Сперанской A.A./.

32. -Экспериментальное исследование механизма становления свободной конвекции в воде, охлаждающейся с поверхности //В сб. Геофизические исследования. Препринт физического ф-та МГУ, 1990, №9. C.I4-I9 /со Сперанской A.A., Петренко И.В./.

63. Тепловой бешено иа поверхности молвряэдпйол авриро ванной води // В ой. Геофнздчвскнэ исследования, репринт фивичао-кого ({ига Ш7. U., 1990, 09. С.20-25 /о Кманомш A.B., СгмранскоЯ А.А., Сперанской O.A./.

34. О вертикальном распрвдавеша^юешратуры я влджнооти воздуха в уодоездх свободной конвекции // Нев. АН СССР, SAO, 1991, «,27» C.4W-477 /во Сперанской A.A., Спер адской O.A./,