Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Лабораторное исследование взаимодействия ветра и волн в штормовых условиях

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Лабораторное исследование взаимодействия ветра и волн в штормовых условиях"

На правах рукописи

Кандауров Александр Андреевич

ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕТРА И ВОЛН В ШТОРМОВЫХ УСЛОВИЯХ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

31 ИЮЛ 2014

Нижний Новгород -2014

005551414

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Троицкая Юлия Игоревна, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Кудрявцев Владимир Николаевич, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный гидрометеорологический университет;

кандидат физико-математических наук Глазунов Андрей Васильевич, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики Российской академии наук.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук.

Защита диссертации состоится 27 октября 2014 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.01 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН и на официальном сайте Института прикладной физики РАН Ьйр:/Ду\у\у. iapras.ru/training/img/dis/Kandaurov.pdf

Автореферат разослан « ^ » к^лХ 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

А.И. Малеханов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Взаимодействие ветра и поверхностного волнения является важнейшим фактором, определяющим обмен импульсом, теплом, влагой и энергией между атмосферой и океаном. Наибольший интерес в последнее время вызывает изучение особенностей такого обмена при сильном и ураганном ветре. Это обусловлено, прежде всего, практической важностью этой проблемы, поскольку турбулентные потоки на границе океан-атмосфера в значительной степени определяют развитие штормов, формирующихся над океаном, и от корректности их моделирования зависит точность прогноза их развития. Негативное воздействие таких штормов, формирующихся над океаном, испытывает более половины населения Земли, около 3,2 миллиарда человек, живущих в 200-километровой (120 мильной) прибрежной полосе.

Самыми опасными морскими погодными системами являются тропические циклоны, в которых скорость ветра может превышать 70 м/с (пятая категория по классификации Саффира-Симпсона). Тропические циклоны возникают и развиваются над океанами главным образом в тропической зоне, между 5 и 20 градусами широты, и их действие проявляется преимущественно в тропической зоне. Они, однако, могут оказывать значительное влияние на погоду умеренных и субтропических зон вследствие внетропи-ческого проникновения. Наиболее разрушительным за последнее время ураганом такого типа стал супер-шторм «Sandy», обрушившийся на восточное побережье США в конце октября 2012 г. и приведший к гибели около 200 человек и ущербу более 80 млрд. долларов. С внетропическим проникновением тропических циклонов связаны сильные шторма в Дальневосточных морях России.

Интенсивные, быстро развивающиеся атмосферные вихри, сходные с тропическими циклонами по механизмам формирования и некоторым морфологическим признакам (теплое ядро, глубокая конвекция), называемые полярными ураганами, наблюдаются в высоких широтах. Они часто наблюдаются при холодных вторжениях в западном секторе Арктики и на Дальнем Востоке. Скорость ветра в полярных ураганах достигает 35—40 м/с, представляя угрозу для судоходства и нефтедобычи на шельфе. Так называемые «квазитропические» циклоны могут наблюдаться и в умеренных широтах. К ним относятся «медиканы», которые наблюдаются в Средиземном море при состояниях атмосферы и океана, благоприятствующих глубокой конвекции. Подобные «квазитропические» циклоны наблюдаются и в Черном море. Скорость ветра при этом может превышать 30 м/с, соответствуя в шкале Саффира-Симпсона тропическому шторму и переходу к урагану категории 1.

Для Европейского континента, и в том числе для России, значительную угрозу представляют активные глубокие циклоны, которые особенно часто

формируются в северо-восточной Атлантике в положительной фазе Северо-Атлантического колебания. Для них также характерны условия штормового и ураганного ветра: например, скорость ветра в урагане «Святой Иуда» в октябре 2013 года доходила до 53 м/с, что соответствует урагану категории 3 по шкале ураганов Саффира-Симпсона.

Высокие значения скорости ветра и связанные с ними ветровые нагрузки представляют собой основной фактор, определяющий опасность ураганов, смерчей, шквалов, штормов и тайфунов. В прибрежной зоне штормовой ветер вызывает чрезвычайно опасное явление штормового нагона, которое считается одним из наиболее разрушительных природных явлений, часто приводит к человеческим жертвам и вызывает многомиллионные убытки. В России штормовой нагон типичен для Невской губы, где он вызывает регулярные наводнения в Санкт-Петербурге. В открытом море наибольшую опасность представляет интенсивное волнение, вызываемое штормами. Причем и на большом удалении от области шторма возможно появление аномально высоких волн. Все это говорит о том, что разработка и повышение точности моделей прогнозирования штормовой погоды над морем являются одной из первоочередных задач, решаемых современной метеорологией. Характеристики взаимодействия атмосферы и океана являются важной составной частью таких моделей, определяющих граничные условия на поверхности океана.

Современные исследования показывают, что взаимодействие атмосферы и океана при сильном ветре носит аномальный характер. В последнее время широкую известность получило явление аномально низкого аэродинамического сопротивления поверхности воды при ураганном ветре. Оно было предсказано теоретически в работе [1], где было показано, что при экстраполяции зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра, полученной при умеренных ветрах, на случай ураганных ветров максимальные скорости ветра в ураганах не могли бы превышать 30-40 м/с при тех источниках энергии, которые возможны в тропических океане и атмосфере. Это противоречит наблюдениям, показывающим, что скорость ветра в реальных ураганах может превышать 60 м/с. На основании этого несоответствия в [1] была выдвинута гипотеза об изменении характера зависимости коэффициента сопротивления морской поверхности от скорости ветра при ураганных ветрах. Впоследствии аномальный характер аэродинамического сопротивления поверхности океана от скорости ветра был обнаружен в натурных измерениях [2, 3] и подтвержден в лабораторных условиях [4].

Был предложен ряд теоретических объяснений наблюдаемого явления, но недостаток экспериментальных данных не позволяет пока однозначно их подтвердить и построить на их основе модель, которая может быть использована в моделях прогноза штормов и ураганов. Натурные измерения во время погодных явлений с ураганными скоростями ветра трудны, опас-

ны и дороги. Кроме того, натурные условия, как правило, характеризуются плохой повторяемостью, когда трудно выделить исследуемые эффекты. В связи с этим разработка методов моделирования приводного пограничного слоя атмосферы при ураганном ветре в хорошо контролируемых лабораторных условиях является важной задачей физики атмосферы и гидросферы.

Значительные принципиальные проблемы при лабораторном моделировании приводного слоя атмосферы связаны с ограниченностью размеров каналов как по высоте, так и по сечению. Для каналов конечной длины и сечения характерно развитие турбулентного пограничного слоя, в котором слой с постоянным турбулентным напряжением занимает приблизительно 15% высоты пограничного слоя. Только в слое постоянных потоков профиль скорости потока логарифмический и может быть использован для непосредственного вычисления коэффициента сопротивления поверхности методом профилирования. Обычно в аэродинамических трубах и ветровых каналах толщина слоя постоянных потоков составляет единицы сантиметров. Измерение профилей скорости ветра на таких малых расстояниях от взволнованной поверхности воды при сильных ветрах является сложной задачей. Прежде всего, это связано с присутствием брызг в пограничном слое, нарушающих работы датчиков. Один из возможных способов решения этой проблемы связан с увеличением размеров установок, таких как канал ЬАБШ в университете Марселя, имеющий длину более 40 м и сечение 3><1,5 м. Тогда можно непосредственно применять классический метод профилирования при измерении коэффициента сопротивления поверхности, основанный на сохранении в стационарном пристеночном пограничном слое тангенциальных турбулентных напряжений. Однако в этом случае создание высокоскоростных воздушных потоков требует больших затрат энергии. В связи с этим необходимо разработать метод восстановления параметров турбулентного пограничного слоя из измерений, проводимых достаточно далеко от поверхности.

При исследовании механизма аэродинамической шероховатости и, в частности, таких ее особенностей, как аномально низкое аэродинамическое сопротивление при высоких скоростях ветра, особый интерес представляет часть пограничного слоя атмосферы, непосредственно прилегающая к поверхности воды. В частности, ниже гребней поверхностных волн можно ожидать появления наиболее интересных особенностей этого потока, таких как экранирование и отрыв потока. Техника цифровой оптической анемометрии (Р1\0 наилучшим образом приспособлена для измерения воздушного потока во впадинах волн. В работах [5-7] представлен опыт применения техники Р1У для измерения скорости воздушного потока над взволнованной поверхностью. В работе [7] удалось исследовать структуру средних полей скорости в воздушном потоке и их возмущений, индуцированных

волнами, а также структуру турбулентных напряжений. Однако эти измерения были проведены при малых скоростях ветра.

Ввиду того, что применение техники Р1У для исследования приводного ветрового потока связано со значительными трудностями, отработка методов проводилась в более простых условиях: в большом бассейне с искусственной температурной стратификацией ИПФ РАН и в малом бассейне с солевой стратификацией был проведен цикл экспериментов, посвященных исследованию возможности генерации внутренних волн в стратифицированной жидкости турбулентной струей. В ходе этих экспериментов отрабатывалась методика лазерно-оптического измерения характеристик турбулентных геофизических течений.

Важная задача, которая возникает при проведении исследований приводного атмосферного пограничного слоя в(5лизи поверхности воды, связана с необходимостью точного определения положения границы раздела воды и воздуха. Она может быть решена с помощью предложенной в этой работе и реализованной в рамках лабораторного эксперимента по моделированию ветро-волнового взаимодействия методики определения формы взволнованной водной поверхности, которая основана на использовании лазерной подсветки и высокоскоростной съемки поверхности. Совместное применение этой методики и контактных методов (струнных волнографов), позволяет одновременно с измерением полей скорости ветра техникой Р1У получать форму поверхности воды, в том числе в условиях ураганных ветров.

Цель работы

Основная цель настоящей работы - разработка методов лабораторного исследования ветро-волнового взаимодействия и техники прецизионного измерения параметров воздушного потока в приводном слое атмосферы вблизи взволнованной поверхности воды, пригодных для использования в условиях сильного и ураганного ветра, а также применение разработанных методов для исследования особенностей турбулентного переноса импульса в приводном пограничном слое атмосферы при ураганном ветре.

В частности предполагается

1. Разработать методику определения параметров воздушного турбулентного пограничного слоя и поверхностного волнения, применимую для использования в лабораторных условиях, включая:

1) методику определения параметров воздушного турбулентного пограничного слоя в развивающемся турбулентном пограничном слое, типичном для лабораторных условий;

2) модификацию метода Р1У, адаптированную для проведения измерений скорости воздушного потока в условиях сильного и ураганного ветра;

3) методику бесконтактного исследования поверхности, которая позволила бы производить измерения формы поверхности воды одновременно с

бесконтактным измерением скорости ветра в приповерхностном пограничном слое.

2. С использованием контактных методов измерения характеристик ветрового потока и поверхности воды исследовать зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра, в том числе в области ураганных ветров и выяснить связь этой зависимости с характеристиками поверхности.

3. Провести бесконтактные измерения полей скорости ветра над водной поверхностью, включая области во впадинах поверхностных волн, в том числе, при сильных и ураганных ветрах.

Научная новизна диссертационной работы определяется новыми методами исследования и полученными оригинальными результатами. В работе впервые:

1) выявлена автомодельная зависимость дефекта скорости воздушного потока от высоты в развивающемся турбулентном течении в канале над водной поверхностью, на основе которой разработана и применена методика определения параметров воздушного турбулентного пограничного слоя (скорости трения и высоты шероховатости);

2) на основе одновременных измерений параметров приводного ветрового потока и характеристик водной поверхности показано, что тенденция к насыщению коэффициента сопротивления поверхности воды при ураганном ветре объясняется механическим ограничением крутизны поверхностных волн за счет ветровой нагрузки;

3) разработана техника исследования формы поверхности воды, основанная на комбинировании контактных (струнные волнографы) и бесконтактных (высокоскоростная съемка с подсветкой лазерным ножом) методов, позволяющая восстанавливать форму поверхности воды в широком диапазоне ветровых условий, включая экстремальные;

4) с использованием модифицированной техники лазерно-оптической анемометрии (Р1У) впервые получены поля скорости ветра, осредненные по турбулентным флуктуациям, в приводном пограничном слое при ураганных условиях.

Научная и практическая значимость

Полученные в работе результаты могут применяться для верификации численных моделей и интерпретации результатов натурных и лабораторных экспериментов по исследованию взаимодействия ветра с волнами на воде. Полученные в работе зависимости коэффициента сопротивления морской поверхности от скорости ветра могут быть использованы для параметризации турбулентного переноса в численных моделях приводного слоя атмосферы, а также в моделях прогноза штормовых нагонов. Разработанная методика бесконтактного исследования полей скорости ветра в

приводном пограничном слое с учетом формы поверхности воды, применимая, в том числе, при экстремальных условиях, позволит проводить детальные лабораторные исследования характеристик ветро-волнового взаимодействия в широком диапазоне условий. Разработанные методы бесконтактных измерений, основанных на визуализации, могут быть использованы при моделировании потоков в природных объектах и технических устройствах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления поверхности воды от скорости ветра в лабораторных условиях демонстрирует тенденцию к насыщению при скоростях ветра, превышающих 25 м/с.

2. Характер зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра связан с изменением сопротивления формы поверхности воды; наблюдаемая тенденция к насыщению среднеквадратичного уклона поверхности воды в условиях сильного ветра приводит к насыщению аэродинамической шероховатости водной поверхности.

3. В развивающемся турбулентном пограничном слое в канале профиль дефекта скорости воздушного потока над волнами является автомодельным. С использованием свойства автомодельности .параметры турбулентного пограничного слоя (скорость трения и высота шероховатости) могут быть определены из измерений в «следной» части турбулентного пограничного слоя.

4. Для случая сильных и ураганных ветров существует линейная связь между коэффициентом сопротивления водной поверхности и среднеквадратичным уклоном волн.

5. Зависимость коэффициента сопротивления от скорости ветра, полученная контактными методами, подтверждена в результате бесконтактного лазерно-оптического измерения профилей скорости приводного турбулентного пограничного слоя вблизи поверхности, в том числе во впадинах волн.

Достоверность. Все полученные результаты обладают высокой степенью достоверности и являются обоснованными. Подтверждением этого служит хорошее качественное и количественное совпадение результатов, полученных экспериментально контактными и бесконтактными методами, а также с использованием модели ветро-волнового взаимодействия. Физическая трактовка полученных результатов, находится в согласии с общепризнанными представлениями. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих российских и зарубежных журналах и монографиях, докладывались на международных и всероссийских конференциях и неоднократно обсуждались на семинарах в ИПФ РАН.

Апробация результатов работы

Диссертация выполнена в Институте прикладной физики РАН. Результаты диссертации были использованы в ходе исследовательских работ в рамках грантов РФФИ (инициативные, региональные, ориентированные на фундаментальные исследования — офим, международные), проектов в рамках Федеральных целевых программ минобрнауки («Кадры», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», «Мировой океан»), программы «Умник», проекта CRDF (RUP1-31020-N009), гранта Правительства Российской Федерации, выделенного на конкурсной основе для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (11.G34.31.0048), а также в рамках совместных исследованиях с ЗАО НПО Гранит-47 (Санкт-Петербург) и Средиземноморским институтом океанографии (Марсель, Франция).

Результаты, полученные в ходе выполнения работы, вошли в Отчеты РАН за 2011,2012 и 2013 гг.

Основные результаты и положения работы доложены:

на международных конференциях: международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков XI» 2011 г., международная научная школа молодых ученых и специалистов «Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил. Вихри и волны», 2011 г., международный семинар «Проблемы взаимодействия атмосферы и гидросферы», 2011 г., симпозиум IUTAM 12-3, 2012 г., 5th European Postgraduate Fluid Dynamics Conference, 2012 г., Международная школа молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах», 2013 г., V International Conference Frontiers in Nonlinear Physics, 2013 г., EMS Annual Metting, 2012 и 2013 гг., EGU General Assembly, 2010, 2011, 2013 и 2014 гг.;

- на российских конференциях: конференция молодых ученых «Нелинейные волновые процессы», 2010 г., Первая всероссийская конференция по прикладной океанографии, Москва, 2010 г., XVI Нижегородская сессия молодых ученых (секции «Технические науки» и «Естественные науки»), 2011 г., Форум молодых учёных ННГУ, Нижний Новгород, 2013 г.;

- на семинарах ИПФ РАН.

Публикации. Результаты диссертации изложены в 31 работе автора, из которых 4 — статьи, опубликованные в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 2 — статьи в коллективных монографиях и 25 - тезисы докладов на российских и международных конференциях.

Личный вклад автора

Автор диссертации принимал непосредственное участие в планировании и постановке экспериментов, описанных в работе, а также в обработке полученных экспериментальных данных с использованием как разработанных автором, так и сторонних программных решений: автор написал основную часть программного обеспечения, использованного в работе, в том числе программы для получения пространственных спектров по данным волнографов, программы для исследования профилей скорости, получаемых как контактными, так и бесконтактными методами, поиска поверхности воды и границы струи на Р1У-изображениях, непосредственно вычисления полей скоростей по парам Р1У-изображений и исследования получаемых полей скорости.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 154 страницы, включая 53 рисунка. Список литературы содержит 152 наименования, включая работы автора.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются её цели, кратко излагается содержание диссертации.

Глава 1 диссертации является обзорной. В ней даны основные определения, описаны методы и инструменты, которые используются для лабораторных экспериментов, представлены основные результаты исследований турбулентного переноса импульса в пограничном слое атмосферы над морем.

В разделе 1.2 рассмотрена классификация условий, при которых наблюдается штормовой ветер, шкалы оценки скорости ветра и потенциального ущерба от ураганов. Приведены описания погодных явлений, для которых характерны штормовые и ураганные ветра. Продемонстрирована опасность подобных явлений и важность их моделирования.

В разделе 1.3 приведены основные определения теории турбулентного переноса в приземном пограничном слое над водной поверхностью. Зависимость коэффициента сопротивления поверхности океана (Сд) от скорости ветра на стандартной метеорологической высоте 10 м (¿У|0) при умеренных ветрах обсуждается в разделе 1.4. Широко использующиеся в моделях прогноза ветрового волнения и ветра над морем зависимости, связывающие С о с С/ю, получены обобщением экспериментальных данных для умеренных ветров. Применение этих формул в модели урагана [1] приводит к тому, что диссипация энергии за счет трения оказывается слишком

высокой, чтобы при реалистичных источниках энергии объяснить наблюдаемые скорости ураганных ветров.

Проблема объяснения высоких значений скорости ветра может быть разрешена, если предположить, что коэффициент сопротивления морской поверхности перестает увеличиваться при ураганных ветрах. В разделе 1.5 приводятся экспериментальные данные о поведении Са при ураганном ветре, полученные в натурных [2, 3] и лабораторных [4] условиях, подтверждающие это предположение: рост аэродинамической шероховатости водной поверхности с увеличением скорости ветра значительно ослабляется при экстремальных ветрах, несмотря на увеличение высоты поверхностных волн.

Несколько теоретических моделей, предложенных для объяснения этого эмпирического факта, рассмотрены в разделе 1.6. Среди них можно выделить две группы. В первой группе уменьшение сопротивления поверхности объясняется особенностями воздушного потока над обрушающимися волнами, которые определяют сопротивление формы морской поверхности [4, 8, 9]. Другой подход больше соответствует условиям развитого волнения. Он описывает влияние капель на ветро-волновой обмен импульсом через обмен импульсом между каплями и воздушным потоком [10, 11] или влияние брызг на стратификацию пограничного слоя [12, 13].

Несмотря на большое число гипотез, предложенных для объяснения эффекта снижения аэродинамического сопротивления поверхности моря при ураганном ветре, механизм этого явления не выяснен. Причина этого в недостатке данных комплексных экспериментов, в которых вместе со скоростью ураганного ветра измерялись бы параметры волн, брызг и других сопутствующих явлений. Проведение подобных измерений в натурных условиях чрезвычайно затруднено, в связи с этим весьма привлекательно выглядит идея моделирования взаимодействия атмосферы и океана при ураганном ветре в лабораторных условиях. Лабораторные эксперименты, в которых проводилось исследование особенностей ветрового потока над взволнованной водной поверхностью, описываются в разделе 1.7. При использовании контактных методов для измерения характеристик воздушного потока вблизи водной поверхности возникает ряд трудностей, в частности, требуется использование специализированных платформ, отслеживающих колебания поверхности воды, но даже установленные неподвижно датчики неминуемо вносят возмущения в поток, а вертикальные движения датчика создают дополнительные возмущения, что приводит к искажению измерений. В силу этих причин бесконтактные методы измерения в данной области всегда вызывали интерес. Использование дистанционных оптических методов позволяет устранить возмущения, вносимые контактными датчиками в поток, и получать не только локальные измерения, а мгновенные поля скоростей. Развитие лазерных технологий и появление специализированного оборудования для проведения лазерно-оптических измерений

обеспечили возможность использования метода цифровой оптической анемометрии (Р1У) для исследования особенностей воздушного потока над волнами. Описание подобных экспериментов и описание самого метода приведены в разделе 1.8. Техника Р1У использована при исследовании вет-ро-волнового взаимодействия в лабораторных экспериментах на малой ветро-волновой установке ЖРНЕ-Ьшгппу [5], а также в Лаборатории ветро-волнового взаимодействия Универитете Делавера [6]. В экспериментах Реля скорости ветра не превышали 10 м/с, а обрушение волн достигалось за счет дисперсионного сжатия. В экспериментах Верона достигнуты эквивалентные скорости ветра 15 м/с. В этих работах проводился анализ мгновенных полей скорости, при этом статистические свойства турбулентного воздушного пограничного слоя не обсуждались.

В заключительном разделе 1.9 сделан вывод о направлении необходимых исследований. При измерении характеристик воздушного потока в приводном пограничном слое необходимо параллельно проводить измерения характеристик поверхности воды, в частности формы поверхности. Неподвижные контактные датчики скорости не позволят исследовать характеристики ветрового потока во впадинах волн, что говорит о необходимости применения бесконтактных методов измерения скорости, например Р1У. При этом надо уделить внимание не только мгновенным полям скорости, но и статистическим характеристикам турбулентного воздушного потока. Необходимым условием проведения таких измерений является одновременное измерение формы подстилающей поверхности.

Глава 2 посвящена исследованию взаимодействия ветра с волнами при ураганных ветрах в лабораторных условиях на Высокоскоростном прямоточном ветро-волновом канале ИПФ РАН (ВСВВК) с помощью контактных методов.

В разделе 2.1 обсуждается возможность моделирования условий ураганного ветра над морем в лабораторных условиях. Отмечено, что лабораторные и натурные условия значительно отличаются длиной разгона: волны в лабораторных каналах очень «молодые» по сравнению с натурными, т.е. они отвечают начальной стадии развития волнения.

Описание устройства и характеристик экспериментальной установки приведено в разделе 2.2. Канал имеет П-образное сечение и ограничивает область сечением 40x40 см над поверхностью воды. Длина рабочей части 10 м. Центробежный вентилятор позволяет добиться скоростей ветра на оси канала до 25 м/с, что эквивалентно скорости до 45 м/с на 10 м высоте.

Описание использованных контактных методов измерения параметров ветрового потока приведено в разделе 2.3: на входе в рабочую часть установлен термоанемометр, позволяющий контролировать температуру и скорость ветра. В измерительной секции, на удалении 7 м от начала канала, на сканирующем устройстве закреплена трубка Пито для измерения профилей скорости ветра.

Классический метод профилирования для измерения коэффициента сопротивления поверхности основан на сохранении в стационарном пристеночном пограничном слое тангенциальных турбулентных напряжений. Тогда профиль средней скорости потока логарифмический, и коэффициент сопротивления может быть вычислен из наклона профиля (и») и значения скорости на высоте 10 м (£/ю). Однако для аэродинамических труб и ветровых каналов характерно развитие турбулентного пограничного слоя, при этом можно выделить три подслоя на различном расстоянии от поверхности: вязкий подслой, слой постоянных потоков и «следная» часть [14]. Слой постоянных потоков простирается на толщину приблизительно 15% толщины слоя вытеснения <5, и только в нем профиль скорости потока логарифмический. Измерение профилей скорости ветра на расстоянии менее 10 см от взволнованной поверхности воды при сильных ветрах является сложной задачей в основном ввиду эффекта сдувания брызг с горбов волн. К счастью, параметры слоя постоянных потоков могут быть получены из измерений в «следной» части турбулентного пограничного слоя, так как экспериментальные данные показывают, что профиль дефекта скорости в развивающемся пограничном слое является автомодельным и подчиняется «закону следа» [14]. Далее в разделе на основе приближенных уравнений для турбулентного пограничного слоя показано, что профиль дефекта скорости должен быть автомодельным, причем в силу малости коэффициента сопротивления параметры автомодельности слабо зависят от характеристик поверхности. В автомодельных переменных профили дефекта скорости, полученные для 12 значений скорости на оси канала от 6 до 24 м/с, легли на одну кривую (рис. 1). С0 и иы были вычислены с использованием параметров аппроксимации «следной» части профилей. Полученная зависимость Сд от иы показана на рис. 2 вместе с данными [2] и [4]. Данные, полученные на двух различных установках различными методами, достаточно близки при низких и высоких скоростях ветра — различие С0 менее 10%. Тенденция к насыщению коэффициента сопротивления поверхности хорошо видна для обоих наборов данных, однако пороги насыщения по скорости ветра несколько отличаются (33 м/с для данных из [4] и 25 м/с для данных, полученных на ВСВВК). Значения Сп, полученные в лаборатории в работе [4], несколько превышают данные, полученные в натурных условиях в [2]. Наши лабораторные данные находятся в лучшем согласии с натурными данными, но экстремально высокие скорости ветра, когда Св уменьшается, не были достигнуты на установке.

Была выдвинута гипотеза, что этот эффект насыщения Св может быть связан с изменением характеристик поверхности, и поэтому проводились непосредственные измерения характеристик поверхностного волнения, которые описаны в разделе 2.4.

о

°Н ' ' ' 1 ' ' ,<Т8' 0 10 20 30 40 50

2/8 1 £Л о (м/с)

Рис. I. Профили дефекта скорости воздушного потока в ветровом канале над волнами для различных скоростей ветра в автомодельных переменных. Рис. 2. Зависимость коэффициента сопротивления поверхности от скорости ветра на высоте 10 м, собранные натурные и лабораторные данные (незакрашенные символы - [2] и [4], закрашенные - измерения на ВСВВК)

0.003

0.002

0.001

Параметры поля ветровых волн в канале измерялись с помощью системы трех струнных волнографов, расположенных в углах равностороннего треугольника со стороной 2,5 см. Трехмерные пространственно-временные спектры возвышения поверхности были получены из измеренных данных с использованием алгоритма Fourier Directional Method (FDM), родственного Wavelet Directional Method [15]. При этом положение поверхности в каждой из трех точек с помощью БПФ представляется как сумма гармоник с разной частотой. Для каждой частоты из разности фаз гармоник с учетом известной геометрии системы вычисляются модуль и направление волнового вектора, которые затем используются при условном усреднении амплитуд гармоник. Таким образом получены пространственно-угловые спектры возвышения поверхности, вычислены зависимости значительной высоты волны, частоты и длины волны пика от скорости ветра. Амплитуда волны растет с увеличением скорости ветра, но крутизна спектрального пика, т.е. произведение амплитуды на волновой вектор, слабо зависит от скорости. Для учета всего спектра поверхностного волнения вычислялся среднеквадратичный уклон волнового поля. Так как система трех струнных волнографов не позволяет разрешать волны с длиной волны меньше расстояния между струнами (ки = 1,25 см"1), пространственный спектр дополнялся в коротковолновой части модельным спектром [16]. Угловая зависимость спектра при к > к„ была выбрана такой же, как в измеренном спектре. Полученный как с учетом, так и без учета коротковолновой части спектра среднеквадратичный уклон демонстрирует тенденцию к насыщению при Uw > 25 м/с. Сравнение зависимости уклона волн и зависимости CD от Uw показывает, что изменение в режиме волнового поля

коррелирует с тенденцией к насыщению зависимости сопротивления поверхности от скорости ветра: на рис. 3, а можно видеть линейную зависимость между коэффициентом сопротивления поверхности и среднеквадратичным уклоном. Это позволило предположить, что особенности аэродинамического сопротивления поверхности воды связаны с особенностями поля поверхностных волн.

0.00251 р

"ГИЛМ

0.002-

0.0015

0.0005

0.1 S

Slope

0.25

20 30 40

и,ю(т/в)

а б

Рис 3. Зависимость С ¡у. а — от среднеквадратичного уклона с учетом (закрашенные символы) и без учета (незакрашенные символы) коротковолновой части спектров возвышения; б — от С/10 (сравнение теории с лабораторным экспериментом), результаты профилирования (кружки) и теоретические вычисления с учетом (сплошная линия) и без учета (штриховая линия) коротковолновой части спектра поверхностных волн

В разделе 2.5 в рамках теоретической модели турбулентного пограничного слоя над взволнованной поверхностью проведена проверка гипотезы о том, что особенности зависимости коэффициента сопротивления поверхности от скорости ветра можно объяснить особенностями ее сопротивления формы, связанными с наблюдаемой тенденцией к насыщению среднеквадратичного уклона волн. Ветро-волновое взаимодействие рассматривается в квазилинейном приближении подобно [17-19]. Возмущения, вносимые в воздушный поток волнами на водной поверхности, рассматриваются в линейном приближении, и единственный нелинейный эффект, принимаемый во внимание — это волновой поток импульса, связанный с детектированием индуцированных ветром возмущений. Сопротивление формы поверхности воды было вычислено в рамках модели для параметров (скорости трения и спектров волнения), измеренных в канале. Полученные зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра показаны на рис. 3, б. Из рисунка видно, что модель воспроизводит тенденцию к насыщению коэффициента сопротивления поверхности. Учет коротковолновой части спектра дает количественное соответствие вычисленных и измеренных значений CD.

Глава 3 посвящена разработке бесконтактных методов исследования характеристик поверхности воды и получения полей скорости течений методом Р1У. В разделе 3.2 приведен обзор работ, в которых использовались оптические методы для получения границы раздела воды и воздуха как в натурных, так и в лабораторных условиях.

В разделе 3.3 описана система для бесконтактного определения формы поверхности воды в рамках лабораторного моделирования ветро-волнового взаимодействия на ВСВВК. Общая схема измерений формы поверхности волн показана на рис. 4, а. Для подсветки используется вертикальный лазерный нож, плоскость которого параллельна боковым стенкам канала. Лазерный нож формируется из пучка 532 нм Ш:УАС лазера мощностью 4 Вт с помощью системы цилиндрических линз. Область пересечения лазерного ножа с взволнованной поверхностью снимается на высокоскоростную ССО-камеру, установленную в герметичном боксе сбоку от канала, со скоростью 500 к/с и более. Для увеличения контраста границы раздела в воду бассейна добавлялось флуоресцирующее вещество (уранин А).

а о

Рис. 4. Поперечное сечение ВСВВК с установленной системой бесконтактного измерения формы поверхности (а) и изображение поверхности, полученное с высокоскоростной камеры, с выделенной границей (6).

Высокоскоростная ветра

Далее описан разработанный алгоритм, который позволяет проводить автоматический поиск поверхности на каждом кадре видеозаписей. Алгоритм основан на использовании выделения границ интенсивности на изображении методом Канни [20]. Для борьбы с шумами производится предварительная фильтрация изображений, а также фильтрация получаемых профилей.

На ВСВВК была проведена серия тестовых экспериментов по исследованию пространственных характеристик ветровых волн в широком диапазоне скоростей воздушного потока. Пространственные спектры возвышения, полученные контактными методами, были дополнены коротковолновой частью, полученной бесконтактными методами.

Ввиду того, что применение техники лазерно-оптической анемометрии (Р1У) для исследования приводного ветрового потока связано со значительными трудностями, отработка методов проводилась в более простых условиях: в разделе 3.4 описан опыт применения РГУ при исследовании плавучих струй в стратифицированной жидкости, который затем был использован в рамках лабораторного моделирования ветро-волнового взаимодействия. Описывается разработанное программное обеспечение, позволяющее исследовать поля скоростей течения и положение границы струи, с помощью которого была изучена модовая структура всплывающей струи.

В Главе 4 описывается проведенное на Высокоскоростном ветро-волновом канале ИПФ РАН исследование характеристик высокоскоростных воздушных потоков, в том числе во впадинах волн, в условиях интенсивного обрушения волн с образованием брызг вблизи поверхности.

В разделе 4.2 описывается техника проводимых экспериментов. На рис. 5 показано поперечное сечение канала и расположение элементов системы. Для визуализации воздушного потока в канале использовались частицы полиамида сферической формы диаметром 20 мкм, плотностью 1,02 г/м3. Время инерции частиц составляло 710"4 с. Устройство для ввода частиц располагалось на входе в канал. По своей конструкции оно было аналогично устройству, применявшемуся в работе [7], и использовало в своей работе сжатый воздух для инжекции частиц в канал. Частицы в области измерений подсвечивались вертикальным лазерным ножом, параллельным боковым стенкам и проходящим через ось канала. Плоскость ножа формировалась цилиндрической линзой из вертикального лазерного пучка (непрерывный Ш:УАО лазер, 532 нм, 4 Вт). Двилсение внесенных в воздушный поток частиц и поверхности воды снималось сбоку с помощью высокоскоростной камеры, размещенной в герметичном боксе. Камера была расположена горизонтально, уровень объектива камеры находился выше уровня поверхности воды на 8 см, фокальная плоскость совпадала с лазерным ножом.

Наряду с Р1У-методами, которые являлись основным инструментом в этих исследованиях, использовались ранее опробованные контактные способы измерений: термоанемометр, использующийся для контроля параметров входного потока, трубка Пито для измерения профилей скорости в рабочей части и струнные волнографы для дополнения данных оптических измерений формы поверхности в случае высоких скоростей ветра.

Эксперименты проводились при четырех значениях расхода воздуха в канале: 1,1, 1,6, 2,2 и 2,7 м3/с, что соответствует эквивалентным скоростям ветра на высоте 10 м (Е/10): 11, 20, 37 и 48 м/с соответственно. В двух последних случаях наблюдалось сильное обрушение волн с образованием пенного гребня и интенсивной генерацией брызг.

Рис. 5. Схема эксперимента, поперечное сечение канала: 1 - лазер подсветки, 2 - система сдува капель, 3 - скоростная видеокамера, 4 - рабочая часть канала

Обработке полученных экспериментальных данных посвящен раздел 4.3. Определение формы поверхности воды для каждого кадра, которое необходимо для нахождения поля скорости путем кросскорреляционной обработки адаптивным Р1У-алгоритмом по криволинейной сетке в непосредственной близости от водной поверхности (в том числе во впадинах волн), проводилось с помощью алгоритма, аналогичного использованному в главе 3. Важным отличием условий в данных экспериментах от описанных в главе 3 является наличие РГУ-частиц и брызг над поверхностью. Для того, чтобы исключить их влияние на поиск поверхности, в алгоритм был добавлен дополнительный этап, на котором из нескольких соседних кадров синтезировалось изображение, с которого удалены все быстродвижущиеся объекты, при этом слабо меняющееся за время между кадрами изображение поверхности остается. При увеличении скорости воздушного потока наблюдался переход от слабого обрушения волн к достаточно интенсивному, сопровождающемуся образованием брызг и пенных гребней, что затрудняло определение формы поверхности оптическим методом на значительной части полученной последовательности изображений. В связи с этим, для получения информации о форме поверхности использовался

комбинированный метод, в котором оптические измерения дополнялись данными со струнного волнографа, установленного на оси канала непосредственно у края лазерного ножа.

После нахождения формы поверхности рассчитывались поля скорости кросскорреляционным методом по криволинейной сетке, учитывающей текущую форму поверхности. Использовался модифицированный метод Р1У-обработки, основанный на адаптивном поиске смещения максимума кросскорреляционной функции для элементов изображения на двух последовательных кадрах [7] с субпиксельной точностью поиска максимума [21]. Из обработки исключались элементы изображения, в которых отсутствуют частицы или присутствуют брызги.

Метод, основанный на фазировке измеряемых скоростей ветра на различных уровнях от взволнованной поверхности, использовался для корректного вычисления средних профилей скорости. Для определения фазы волны, над которой находится точка измерения скорости, использовалось преобразование Гильберта над временными реализациями возвышения поверхности воды для каждой горизонтальной координаты на кадре. Для получения полей скорости, осредненных по турбулентным пульсациям, проводилось условное усреднение при фиксированной фазе. Такой способ усреднения позволил избежать ошибок, которые возникли бы при простом усреднении по времени и горизонтальной координате из-за различного количества полученных точек скорости в различных фазах волны.

Результаты обработки экспериментальных данных представлены в разделе 4.4. Модель структуры пограничного слоя, аналогичная предложенной в Главе 2, была использована для описания полученных профилей скорости воздушного потока. Особенностью турбулентного пограничного слоя над взволнованной поверхностью в воздушном потоке является возникновение слоя, в котором происходит передача импульса от воздушного потока к волновым возмущениям на поверхности воды. При этом в слое постоянного потока импульса сохраняется сумма турбулентного и волнового потоков импульса, причем последний убывает при удалении от границы на оцененному в работе [19] масштабе Ькте, который зависит от скорости трения и от фазовой скорости и волнового числа, соответствующих пику спектра возвышения поверхности. Если выполняется условие Ктк < 0,15(5, то внутри слоя постоянного потока импульса присутствует слой постоянного турбулентного потока импульса, в котором скорость зависит от вертикальной координаты по логарифмическому закону и функ-

сШ и.

ция ф = 2-= — не зависит от высоты.

ск к

а

Рис. 6. Профили скорости ветра (сплошная линия) и вычисленная зависимость

^(z) (штрихпунктирная линия) для различных расходов воздуха: а - 1,1 м3/с; б -

1,6 м3/с; в - 2,2 м3/с; г - 2,7 м3/с. Горизонтальная штриховая линия показывает уровень гребней волн. Заштрихованная область сверху - ожидаемое положение «след-ной» части профиля (выше 0,15<5); верхняя граница заштрихованной области снизу - характерный вертикальный масштаб волновых возмущений (hwal,e)

Из рис. 6 видно, что в данных экспериментах логарифмический пограничный слой сформировался только при значениях расхода воздуха 1,1 и 1,6 м3/с: на рис. 6, а и б логарифмическая производная от профиля скорости имеет постоянный участок. В этих случаях верхняя граница слоя постоянных потоков импульса 0,15(5 расположена выше области волновых потоков hwave. При дальнейшем увеличении расхода воздуха (2,2 и 2,7 м3/с) логарифмическая часть профиля скорости отсутствует. Как видно на рис. 6, в и г, в этом случае hwave > 0,15<5, т.е. характерный вертикальный масштаб волновых возмущений оказывается выше ожидаемой верхней границы логарифмического пограничного слоя. В этих условиях в пограничном слое отсутствует область с постоянным турбулентным потоком импульса, а волновой пограничный слой переходит в «следную» часть.

Для случаев, когда в измеренном профиле присутствует логарифмическая часть (рис. 6, а и б), по логарифмической зависимости непосредственно могут быть найдены и*, С/)0 и, следовательно, CD. Для случаев высоких скоростей ветра, когда на профилях скорости логарифмическая часть от-

сутствует, для вычисления коэффициента сопротивления аналогично Главе 2 использовано предположение об автомодельности профиля дефекта скорости, и коэффициент сопротивления вычислялся исходя из параболической аппроксимации «следной» части профиля. При использовании предположения об автомодельности профиля дефекта скорости в пристеночном течении, для вычисления коэффициента сопротивления проводится параболическая аппроксимация профиля скорости в «следной» части профиля,

которая характеризуется коэффициентом р:

ил-и,

[14].

Св

X 10"®

ф-

* о

©О

о ®>с ■

о° в + §г + >®о8° + -

и10, м/с

Рис. 7. Зависимость коэффициента параметризации р от скорости ветра на стандартной высоте (а) (крестиками показаны данные, полученные из аппроксимации профилей, измеренных РГУ для случаев расхода воздуха 1,1 и 1,6 м3/с; линия показывает значения /?, полученные для случая расположенного на уровне невозмущенной поверхности плоского твердого дна).

Рис. 8. Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления от эквивалентной скорости ветра на высоте 10 м (б) (кружки - экспериментальные данные, полученные в главе 2, крестики - данные настоящего эксперимента)

Для небольших скоростей ветра, где присутствует логарифмическая часть профилей скорости, коэффициент р может быть вычислен из параметров «следной» и логарифмической частей профиля (рис. 7). При этом получена зависимость, сходная с полученной из аппроксимации профилей скорости ветрового потока над плоским твердым дном, установленным в канале на уровне невозмущенной поверхности воды.

Рассчитанные таким образом значения коэффициента сопротивления С0 показаны на рис. 8. На том же рисунке показана зависимость, полученная в главе 2 на основе контактных измерений. Измерения с помощью техники цифровой анемометрии хорошо согласуются с ранее полученными данными в области умеренных и штормовых скоростей ветра (до 25 м/с).

При ураганных скоростях (более 35 м/с) на основании техники Р1У получены значения Сп, превышающие данные контактных измерений в пределах 20%. Они также превышают данные натурных измерений [2]. Однако, возможно, что такое расхождение результатов обусловлено тем, что из-за ограничений эксперимента для вычисления Св использована только нижняя область «следной» части профиля скорости ветра.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Экспериментально показано, что профиль дефекта скорости в воздушном потоке в развивающемся турбулентном течении в канале прямоугольного сечения над водной поверхностью является автомодельным, а форма автомодельного профиля скорости не зависит от шероховатости поверхности в пределах экспериментальной точности. Предложен метод измерения коэффициента аэродинамического сопротивления поверхности воды, основанный на использовании свойства автомодельное™ профиля дефекта скорости воздушного потока.

2. В лабораторном эксперименте по изучению аэродинамического сопротивления поверхности воды при сильном ветре обнаружена тенденция к насыщению коэффициента сопротивления при эквивалентной скорости ветра, превышающей 25 м/с. Предложено объяснение эффекта насыщения аэродинамического сопротивления за счет особенностей сопротивления формы поверхностных волн, обусловленных ограничением крутизны волн в условиях сильного ветра. Получено количественное подтверждение предложенного механизма в рамках квазилинейной модели турбулентного пограничного слоя над взволнованной водной поверхностью с учетом вклада высокочастотной части спектра волнения.

3. На основе одновременных измерений спектральных характеристик поверхностного волнения и параметров воздушного турбулентного пограничного слоя в лабораторных условиях показано, что при сильных и ураганных ветрах насыщение коэффициента аэродинамического сопротивления поверхности воды сопровождается насыщением дисперсии уклонов поверхностных волн. Выявлена линейная зависимость между коэффициентом сопротивления и среднеквадратичным уклоном в поле поверхностных волн.

4. Предложен и реализован в лабораторных условиях метод определения формы границы раздела воды и воздуха, основанный на комбинировании контактных (струнные волнографы) и бесконтактных методов (высокоскоростная съемка с подсветкой лазерной плоскостью), позволяющий восстанавливать форму поверхности воды в широком диапазоне ветровых условий, включая экстремальные. Универсальный характер полученного

метода позволяет применять его совместно с техникой цифровой оптической анемометрии для одновременного определения формы поверхности воды и полей скорости в приводном ветровом потоке.

5. Разработано оригинальное программное обеспечение, позволяющее проводить полный цикл измерения и анализа полей скорости воздушного потока над волнами с помощью техники цифровой оптической анемометрии (PIV), которое включает в себя: алгоритмы поиска поверхности воды по PIV-изображениям с учетом данных со струнных волнографов; реализацию кросскорреляционных алгоритмов вычисления полей скорости, учитывающих форму поверхности воды и возможность присутствия брызг или отсутствия PIV-частиц на некоторых частях изображения; алгоритмы анализа получаемых полей скорости с учетом фазы поверхностных волн.

6. С использованием модифицированной техники цифровой оптической анемометрии в лабораторных условиях впервые получены поля скорости воздушного потока вблизи поверхности воды, искривленной волной, в том числе ниже гребней волн, при сильном и ураганном ветре. Продемонстрирован безотрывный характер полей скорости воздушного потока, осредненных по турбулентным пульсациям. Показано, что слой постоянного потока импульса с логарифмическим профилем средней скорости воздушного потока расположен на расстоянии не более 3 см от искривленной поверхности воды. Значения параметров турбулентного пограничного слоя в слое постоянных потоков согласуются с данными контактных измерений.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Emanuel, К.А. (1995) Sensitivity of tropical cyclones to surface exchange coefficients and a revised steady-state model incorporating eye dynamics. // J. Atmos. Sci, Vol.52, No 22, p.3969-3976.

2. Powell, M.D., Vickery P.J., Reinhold T.A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones //Nature, 2003, v.422, p.279-283.

3. Jarosz E., Mitchell D. A., Wang D.W., Teague W.J. (2007) Bottom-up determination of air-sea momentum exchange under a major tropical cyclone // Science, v 315, p. 1707-1709 DOI: 10.1126/science. 1136466.

4. Donelan M.A., Haus B.K, Reul N., Plant W.J., Stiassnie M., Graber H. C., Brown О. В., Saltzman E. S. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong winds // Geophys. Res. Lett., 2004, v.31, LI8306.

5. Reul, N. Air flow separation over unsteady breaking waves / N. Reul, H. Branger, J.-P. Giovanangeli // Phys. Fluids. -1999. -Vol. 11. -P. 1959-1961.

6. Veron, F. Measurements of the viscous tangential stress in the airflow above wind waves / F. Veron, G. Saxena, S.K. Misra // Geophys. Res. Lett. -2007. -Vol. 34. LI9603. doi: 10.1029/2007GL031242.

7. Troitskaya, Yu. I., Sergeev, D. A., Ermakova, O. S., and Balandina, G.N. (201 la): Statistical parameters of the air turbulent boundaiy layer over steep

water waves measured by the DPIV technique // J. Phys. Oceanogr., 41, 1421-1454,2011.

8. Kudryavtsev V., Makin V. (2007) Aerodynamic roughness of the sea surface at high winds // Boundary-Layer Meteorol.,, v. 125, p. 289-303.

9. Kukulka, T., T. Hara, and S. E. Belcher, (2007): A model of the air-sea momentum flux and breaking-wave distribution for strongly forced wind waves // J. Phys. Oceanogr., Vol 37, No 11, p. 1811-1828.

10. Andreas, E. L. and K. A. Emanuel, (2001): Effects of sea spray on tropical cyclone intensity // J. Atmos. Sci., Vol. 58, No 24, p. 3741-3751.

11. Andreas E. L. (2004) Spray stress revised // J. Phys. Oceanogr.,, v.34, No 6,

p. 1429-1440. .

12. Makin V. K. (2005) A note on drag of the sea surface at hurricane winds // Boundary Layer Meteorol.,, Vol. 115, Nol, p.169-176.

13 Kudryavtsev V.N. On the effect of sea drops on the atmospheric boundary 'layer//J. Geophys. Res., 2006, 111, C7, 2156-2202, 10.1029/2005JC002970

14. Hinze, J. O. Turbulence: An Introduction to its Mechanism and Theory // New York: McGraw-Hill. 1959. P.586.

15 Donelan M.A., Drennan W.M., Magnusson A.K. Nonstationary Analysis of the Directional Properties of Propagating Waves // Journal of Physical Oceanography, vol. 26, 1996. P. 1901-1914.

16.ElfouhaiIy, T. B., B. Chapron, K. Katsaros, and D. Vandemark (1997), A "unified directional spectrum for long and short wind-driven waves // J.

Geophys. Res., 107,15,781-15,796, doi:10.1029/97JC00467.

17. Jenkins, A. D. (1992), Quasi-linear eddy-viscosity model for the flux of en' ergy and momentum to wind waves using conservation-law equations in a

curvilinear coordinate system // J. Phys. Oceanogr., 22(8), 843-858, doi:10.1175/1520-0485(1992)022<0843 :AQLEVM>2,O.CO;2.

18.Reutov V. P., Troitskaya Yu. I. Nonlinear effects due to water wave interactions with a turbulent wind // Izv. Atmos. Ocean. Phy., 31, 792-801, 1996.

19. Troitskaya Yu. I., G. V. Rybushkina. Quasi-linear model of interaction of surface waves with strong and hurricane winds // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics Vol. 44, No 5, p. 621-645, 2008.

20. Canny, J. A. Computational approach to edge detection // IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1986.V. 8(6). P. 679-698.

21 Bolinder J., On the accuracy of a digital particle image velocimetry system, Technical report ISSN 0282 - 1990, ISRN LUTMDN/TMVK - 3186 - SE, 1999.

СПИСОК СТАТЕЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Troitskaya Yu.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A., Baidakov G.A, Vdovin M.A., Kazakov V.I. Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions // Journal of geophysical research, Vol. 117, C00J21, 13 p., 2012.

2. Troitskaya Yu.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A., Vdovin M.I., Ezhova E.V., Zilitinkevich S.S. Momentum and buoyancy exchange in a turbulent air boundary layer over a wavy water surface. Part 2. Wind wave spectra // Nonlinear. Geoph. Processes, Vol. 20, 841-856, 2013.

3. Ежова E.B., Сергеев Д.А., Кандауров A.A., Троицкая Ю.И. Нестационарная динамика турбулентных осесимметричных струй в стратифицированной жидкости. Часть 1. Экспериментальное исследование // Известия РАН. ФАО, Том 48, № 3. С. 86-99, 2012 г.

4. Кандауров А.А., Троицкая Ю.И., Сергеев Д.А., Вдовин М.И., Байдаков Г.А. Среднее поле скорости воздушного потока над поверхностью воды при лабораторном моделировании штормовых и ураганных условий в океане // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 50, № 4, с. 1-13,2014 г.

5. Troitskaya Yu.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A., Kazakov V.I. Air-sea interaction under hurricane wind conditions // "Recent Hurricane Research -Climate, Dynamics, and Societal Impacts", Book edited by: Prof. Anthony Lupo, 2011.

6. Bondur V.G., Grebenyuk Yu.V., Ezhova E.V., Kandaurov A.A., Sergeev A.A., Troitskaya Yu.I. Applying of PIV/PTV methods for physical modeling of the turbulent buoyant jets in a stratified fluid // "Particle Image Velocimetry", Book edited by Giovanna Cavazzini, InTech, p. 345-366, 2011.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Глава 1. Исследования турбулентного переноса в приводном пограничном слое атмосферы при сильном и ураганном ветре (Литературный обзор)

1.1 Введение

1.2 Классификация условий, при которых наблюдается штормовой ветер

1.3 Основные определения в теории турбулентного переноса в приземном пограничном слое над водной поверхностью

1.4 Зависимость коэффициента сопротивления от скорости ветра при слабых, умеренных и сильных ветрах

1.5 Особенности аэродинамического сопротивления поверхности моря при ураганном ветре.

1.6 Возможные механизмы снижения аэродинамического сопротивления поверхности моря при экстремальных ветрах

1.7 Исследование особенностей ветрового потока над взволнованной водной поверхностью в лабораторных условиях

1.8 Метод цифровой оптической анемометрии (Р1У) при лабораторном моделировании ветро-волнового взаимодействия

1.9 Заключение

Глава 2. Исследование ветро-волнового взаимодействия при ураганных условиях контактными методами в лабораторных условиях

2.1 Введение. О возможности моделировать условия ураганного ветра над морем в лабораторных условиях

2.2 Описание экспериментальной установки

2.3 Исследование параметров ветрового потока

2.4 Исследование характеристик поверхностных волн

2.5 Теоретическая модель аэродинамического сопротивления поверхности воды

2.6 Заключение

Глава 3. Использование лазерно-оптических методов для исследования геофизических течений.

3.1 Введение

3.2 Оптические методы определения поверхности раздела воды и воздуха

3.3 Исследование поля возвышения поверхности воды лазерно-оптическим методом

3.4 Исследование всплывающих в стратифицированной жидкости струй ла-зерно-оптическими методами

3.5 Заключение

Глава 4. Исследование ветро-волнового взаимодействия при ураганных условиях бесконтактными методами

4.1 Введение

4.2 Экспериментальная установка и техника эксперимента

4.3 Обработка экспериментальных данных

4.4 Результаты

4.5 Заключение Заключение

КАНДАУРОВ Александр Андреевич

ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕТРА И ВОЛН В ШТОРМОВЫХ УСЛОВИЯХ

Автореферат

Подписано к печати 07.07.2014 г. Формат 60 х 90 Vi6- Усл. печ. л. 1,75, Тираж 100 экз. Заказ №49(2014).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики 603950, г. н. Новгород, ул. Ульянова 46