Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние плёнок поверхностных загрязнений на формирование циркуляций Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Влияние плёнок поверхностных загрязнений на формирование циркуляций Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях"

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

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правахрукописи УДК504.4.054, 551.465.4, 551.465.5,551.5.001.57

БЫКАСОВА СВЕТЛАНА ВЛАДИМИРОВНА

ВЛИЯНИЕ ПЛЁНОК ПОВЕРХНОСТНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ ЛЕНГМЮРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 2004 г.

Работа выполнена на кафедре физики моря и вод суши физического факультета Московского Государственного Университета им. М. В. Ломоносова

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор К. В. Показеев

Официальные

оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор С. Я. Герценштейн, Доктор физико-математических наук, профессор В. Н. Зырянов

Ведущая организация:

Институт водных проблем Севера КНЦ РАН

Защита состоится : 2004 г- в ¿Гчас.^мин. на заседании

Диссертационного Совета Д. 501.001.63 по геофизике в Московском Государственном Университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М. В. Ломоносова, Физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан

Учёный секретарь Диссертационного Совета

кандидат физико-математических наук

В. Б.Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Одной из основных задач современной океанологии является задача по изучению термогидродинамических процессов, происходящих в верхнем квазиоднородном слое, которые существенным образом влияют на тепломассообмен между водоёмом и атмосферой и, как следствие, на всю климатическую систему нашей планеты.

Среди множества процессов, формирующих верхний деятельный слой океанов, морей и водоёмов циркуляции Ленгмюра занимают особое место. Прежде всего, они являются следствием воздействия ветра на водную поверхность и представляют собой вытянутые вдоль направления ветра или под некоторым углом к нему вихревые структуры, вращающиеся в противоположных направлениях, образуя зоны конвергенции и дивергенции водных масс на поверхности водного объекта. Циркуляции Ленгмюра охватывают деятельный слой водоёма и занимают огромные пространства. Скорость опускания воды в зонах конвергенции составляет несколько сантиметров в секунду. Такие большие вертикальные скорости играют важную роль в процессе перемешивания и формирования верхнего квазиоднородного слоя.

Наряду с гидрометеорологическими условиями' поверхностные загрязнения могут существенно повлиять на гидродинамические процессы в водоёмах и в частности на условия возбуждения циркуляции Ленгмюра. Огромные масштабы нефтяных загрязнений, которые покрывают акваторию нефтяной плёнкой, не разрушающейся в течении многих суток, ставят перед океанологией совершенно новую задачу - изучение влияния нефтяных загрязнений на различные гидрофизические поля, поверхностные явления в океане и процессы взаимодействия атмосферы и океана, которое осуществляется как динамическим, так и термическим путём.

Наличие плёнок поверхностных загрязнений, таких как нефтяные плёнки, плёнки нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ, существенным образом изменяют процессы газообмена, испарения и теплообмена водоёма с атмосферой. Поверхностные плёнки изменяют параметры ветровых волн, что в свою очередь влияет на профили скорости ветра и течения. При этом изменяются потоки энергии и импульса между водоёмом и атмосферой, то есть изменяется термическое и динамическое взаимодействие пограничных слоев водоёма и атмосферы. Наличие на водной поверхности плёнок нефтепродуктов существенно изменяет потоки скрытого и явного тепла из водоёма в атмосферу и тем самым условия возникновения и развития циркуляции Ленгмюра, а, следовательно, и условия формирования деятельного слоя водоёма. Сами циркуляции Ленгмюра, вследствие неоднородности течения воды на поверхности, перераспределяют поверхностные загрязнения, сгоняя их в зоны конвергенции. Это приводит к неоднородному распределению» плёнок загрязнения по акватории водоёма и соответственно к неоднородности потоков тепла между водоёмом и атмосферой, что (^лщ^^ристиках

циркуляции Ленгмюра.

С Петербург . , {

« РЭ Щшжт($Ч \

Анализ результатов натурных наблюдений позволяет сделать вывод, что наряду с ветровым воздействием, на условия возбуждения циркуляции Ленгмюра влияет гидрометеорологическая ситуация. В частности скорость ветра, относительная влажность воздуха, температура воды и воздуха влияют на потоки скрытого и явного тепла, а, следовательно, на плотностную неустойчивость водных масс.

В последнее время появилось достаточно много работ, исследующих циркуляции Ленгмюра в природных условиях. Однако до сих пор нет обобщённой математической модели этого явления.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изучение влияния циркуляции Ленгмюра на формирование верхнего деятельного слоя водоёма в условиях всегда присутствующих на поверхности водоёмов плёнок загрязняющих веществ, является весьма актуальной задачей, а построение математической модели, описывающей циркуляции Ленгмюра и позволяющей учитывать параметры плёнок поверхностных загрязнений и гидрометеорологические условия является весьма своевременной задачей. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной работы является исследование влияния плёнок поверхностного загрязнения на условия возникновения и термогидродинамические характеристики циркуляции Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях, а также влияние циркуляции Ленгмюра на перераспределение плёнок поверхностного загрязнения по акватории водоёма. ОСНОВНЫЕЗАЛА ЧИРА БОТЫ

1. построить математическую модель циркуляции Ленгмюра с учётом наличия плёнок поверхностного загрязнения на акватории водоёма при различных гидрометеорологических условиях,

2. создать вычислительную программу для расчёта термогидродинамических характеристик циркуляции Ленгмюра,

3. используя построенную модель, определить параметры плёнок различных нефтепродуктов, при которых циркуляции Ленгмюра существуют и исследовать влияние циркуляции Ленгмюра на перераспределение плёнок по поверхности водоёма,

4. используя построенную модель, исследовать влияние различных гидрометеорологических условий на параметры циркуляции Ленгмюра при наличии в водоёме плёнок поверхностного загрязнения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Впервые построена математическая модель циркуляции Ленгмюра с учётом наличия плёнок поверхностного загрязнения на акватории водоёма. Определено влияние плёнок нефтепродуктов с разными параметрами на условия возникновения . и термогидродинамические характеристики циркуляции Ленгмюра. Впервые исследовано влияние различных гидрометеорологических условий на характеристики циркуляции Ленгмюра при наличии в водоёме плёнок поверхностного загрязнения. Исследовано влияние циркуляции Ленгмюра на перераспределение плёнок загрязнения по

поверхности водоёма. Определён диапазон гидрометеорологических условий существования циркуляции Ленгмюра. ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХРЕЗУЛЬ ТА ТОВ

Результаты, полученные в ходе математического моделирования циркуляции Ленгмюра и поведение поверхностных загрязнений под воздействием циркуляции Ленгмюра, согласуются с результатами натурных измерений и результатами лабораторного моделирования. ПРАКТИЧЕСКАЯЗНА ЧИМОСТЬ

Результаты диссертации являются важным шагом в исследовании проблемы влияния плёнок поверхностного загрязнения на условия формирования циркуляции Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях. Результаты работы позволяют оценить влияние поверхностных загрязнений на развитие циркуляции Ленгмюра в водоёме, на термическое и динамическое взаимодействие океана и атмосферы, на формирование верхнего деятельного квазиоднородного слоя водоёма. Результаты диссертации могут быть использованы при разработке методов расчёта тепломассообмена атмосферы и океана с учётом поверхностных загрязнений водоёма, построение моделей глобального взаимодействия атмосферы и водоёмов, а также климатических моделей.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Построена математическая модель циркуляции Ленгмюра при наличии плёнок поверхностного загрязнения,

2. Определён диапазон гидрометеорологических условий (скорость ветра, радиационный балансовый поток тепла, влажность воздуха) и характеристик плёнок поверхностного загрязнения (толщина плёнки, коэффициент диффузии, время релаксации), при которых возможно существование циркуляции Ленгмюра,

3. Получены зависимости параметров плёнок поверхностного загрязнения от характеристик циркуляции Ленгмюра.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

В процессе выполнения диссертационной работы автор принимал непосредственное участие в постановке задачи, выборе и реализации методов их решения, обработке, анализе и интерпретации результатов математического моделирования. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ. Основные результаты и положения, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. 5 конференция «Динамика и термика рек, озёр и морских прибрежных зон», Москва, 1999 г.,

2. Вторая Всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии. Экологическая физика», Москва, 2-ая - 1999 г., 3-я - 2001 г.,

3. VII Всероссийская школа "Волновые явления в неоднородных средах", Красновидово, 2000 г.,

4. Генеральная Ассамблея Европейского Геофизического Общества, Ницца, Франция, 2000 г.,

5. Вторая Всероссийская научная молодёжная школа "Возобновляемые источники энергии", Москва, 2000 г.,

6. Всероссийская конференция "Необратимые процессы в природе и технике",

Москва, 2000 г.,

7. Юбилейная Всероссийская научная конференция "Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы'', Москва, 2002г.,

8. Семинар кафедры физики моря и вод суши физического факультета

МГУ им. М. В. Ломоносова, 2000,2002,2003 г. г.,

9. Семинар "Моделирование природных систем", ИПМ РАН, 2000 г., 2004 г. СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ

Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. После каждой главы приводятся её выводы. Диссертация содержит 138 страниц текста, 33 рисунка и 1 таблицу.

Работа выполнена в рамках проектов РФФИ-№ 99-05-64045, 00-05-64037, MAC № 49/02-Р. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ сформулированы цели диссертационной работы, обоснована актуальность решаемой научной задачи. Кратко изложено содержание диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации проведён обзор литературы, посвященной вопросам образования плёнок на поверхности водоёмов. Описываются основные свойства циркуляции Ленгмюра. На основе обзора литературы формулируется постановка задачи диссертационной работы.

Показано, что загрязнение поверхности мирового океана нефтепродуктами и нерастворимыми поверхностно-активными веществами при отсутствии ветра, а также слабом и умеренном ветре приводит к образованию плёнок загрязняющих веществ на его поверхности различной толщины, которые влияют на перенос количества движения между океаном и атмосферой, изменяют коэффициент аэродинамического сопротивления и подавляют волнение.

Показано, что нефтяные пленки оказывают существенное влияние на испарение воды. Степень этого влияния зависит от свойств загрязняющих нефтепродуктов, от толщины плёнки загрязнения, от гидрометеорологической ситуации, определяющей растекание, перемещение и трансформацию нефтяных пятен, от диффузии молекул воды через плёнку нефтепродуктов, скорости ветра и ряда других факторов.

Разливаясь по поверхности водоёма, плёнки загрязняющих веществ влияют на световой и тепловой режим воды, а также на количество и спектральный состав проникающей в воду солнечной радиации. Смешиваясь с водой, они изменяют её радиационные свойства, что приводит к поглощению радиации плёнкой и, соответственно, к дополнительному нагреву поверхности водоёма. Происходит резкое уменьшение суммарного теплового потока от моря в атмосферу.

Существование при определённых скоростях ветра в водных объектах циркуляции Ленгмюра способствует конвективному перемешиванию и формированию термической и динамической структуры верхнего деятельного

слоя водоёма. Наличие нефтяных плёнок на поверхности водоёма с одной стороны, уменьшая энергообмен между водоёмом и атмосферой, приводит к подавлению циркуляции Ленгмюра. С другой стороны сами циркуляции • Ленгмюра изменяют этот энергообмен, перераспределяя загрязнения на поверхности водоёма и скапливая их в зонах конвергенции.

Таким образом, термогидродинамические процессы, протекающие в"' квазиоднородном слое в водных объектах, существенным образом зависят от гидрометеорологической и экологической ситуаций. Однако модели циркуляции Ленгмюра при наличии плёнок поверхностного загрязнения для широкого спектра гидрометеорологических условий нет, поэтому актуально:

- построение математической модели циркуляции Ленгмюра при наличии плёнок поверхностного загрязнения на акватории водоёма и различных гидрометеорологических условиях,

- используя построенную модель, определить область существования циркуляции Ленгмюра при наличии плёнок загрязнения на поверхности водоёма,

- используя построенную модель, оценить влияние различных гидрометеорологических условий на параметры циркуляции Ленгмюра при наличии плёнок поверхностного загрязнения,

- используя построенную модель, исследовать влияние циркуляции Ленгмюра на перераспределение плёнок загрязнения по поверхности водоёма.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ описана физико-математическая постановка задачи построения модели циркуляции Ленгмюра с учётом наличия- плёнок поверхностного загрязнения на акватории водоёма при различных гидрометеорологических условиях.

В данной работе предполагается, что циркуляции Ленгмюра представляют собой конвективные когерентные образования, возникающие вследствие плотностной неустойчивости водных масс из-за охлаждения поверхности воды за счёт явных, и, в большей степени, за счёт скрытых потоков тепла и выстраивающиеся дрейфовым течением в двумерные валы. Считается, что как дрейфовое течение, так и конвективные циркуляции существуют в условиях развитой турбулентности (характерные числа Рейнольдса ~ 10 и Грасгофа ~' 10). Упорядоченные движения в этом случае можно рассматривать как когерентные структуры, развивающиеся в турбулентной среде.

Считается, что поверхность водоёма свободна и над ней дует постоянный по величине и направлению ветер со скоростью V. Движение жидкости рассматривается в области прямоугольного сечения высотой Н и длиной L=2H,

бесконечной вдоль оси X}. При этом система координат выбрана так, что ось

X] направлена вдоль направления ветра.

Термогидродинамические процессы в вязкой несжимаемой • жидкости, находящейся в поле силы тяжести, определяющей поведение различных составляющих движения, описываются полной нелинейной системой уравнений термогидродинамики в приближении Буссинеска:

du,

—' + и ât

âu, 1 dp , â2u, a s

- - -------- + V---— + g/SgTdji

âXj p0 âx, âxjôxj '

âT

---+ и

ât

âT 1 ôx,

âXjâXj

du L _

dx.

= 0

Здесь ut{xj,t) (i,j— 1, 2, 3jI - компоненты скорости воды, р - давление, Т - температура воды, v и X - молекулярные коэффициенты вязкости и температуропроводности для воды, р0 - коэффициент температурного

расширения воды, g - ускорение свободного падения, S3i - символ Кронекера.

Согласно методике выделения крупномасштабных структур в турбулентной среде все неизвестные в уравнениях термогидродинамики можно разделить на три компоненты - осреднённое движение, упорядоченное крупномасштабное движение и мелкомасштабную турбулентность:

где х - вектор пространственных координат, t - время.

Представим величины ut[x,t), T{x,t), и p{x,t) в уравнениях термогидродинамики в виде (1) подставим эти выражения в исходные уравнения и, проведя обычное осреднение для получения среднего движения и условное осреднение для описания циркуляции Ленгмюра и мелкомасштабной составляющей потока, а также учитывая свойства циркуляции Ленгмюра, получим, после преобразований, системы уравнений для каждой из компонент потока.

При этом система уравнений для мелкомасштабных турбулентных пульсаций не решается, а для замыкания системы уравнений вводится

I t

коэффициент турбулентного обмена согласно соотношения: , где

£ - средняя в среде скорость диссипации турбулентной энергии, Н -характерный линейный масштаб турбулентных образований (для нашего случая равный толщине слоя воды), С - эмпирическая постоянная.

Считается, что коэффициенты турбулентного обмена постоянны во всей среде и много больше соответствующих молекулярных значений, а турбулентное число Прандтля равно единице, то есть Vr = Xj. Величина € может быть найдена из уравнения, баланса_ энергии для турбулентной составляющей потока в предположении, что приток энергии в мелкомасштабную составляющую от среднего и упорядоченного движений полностью компенсируется процессом диссипации энергии.

Если учесть, что циркуляции Ленгмюра однородны вдоль оси Oxt, то уравнение неразрывности допускает введение функции тока ^ :

Записав систему уравнений для средних и когерентных структур, а также . уравнение замыкания в безразмерной форме в переменных функции тока ф и вихря g, окончательно получаем уравнения рассматриваемой задачи. Для средних величин:

Для упорядоченных структур:

= ко,

дг ах,

д& , ~ д0 , /„ \ -Я'"****'

Я

д1

дф

дх,

"4:

дф лг_дг/ дг/

дх} '

Й-, = -

дх.

+ —

дх\ дх\

, К.

'3 дх,'

,& = Т~Тп

Уравнение замыкания:

м к

3 I *»+■<<

-К 1

■О о

(1:1

^дх2

+ 4

*я

д_г дх

0иЛ

дх} ) ск3

А,}

><1х2.

где Т0 - температура дна, в переменных функциях тока

у.2 = - безразмерный коэффициент турбулентной вязкости.

В основу математической модели, позволяющей вычислять распределение плёнок поверхностного загрязнения в зависимости г от интенсивности. циркуляции Ленгмюра, было положено уравнение баланса вещества на водной поверхности, записанное в безразмерном виде:

На основе полученных данных о релаксационных свойствах поверхностных плёнок в уравнение бяттянся поверхностной концентрации был

введён релаксационный член:

где

толщина плёнки,

распределённой по поверхности водоёма, г - время релаксации.

Уравнение справедливо при небольших градиентах концентраций. Неограниченному сгону вещества в областях конвергенции будет препятствовать горизонтальная диффузия. Этот процесс определяется членом в

уравнении баланса вещества £> ^ ^ , где Б - коэффициент диффузии, а Хт -координата.

На свободной верхней границе водоёма вдоль направления ветра задаётся поток количества движения (напряжение трения ветра) т0 и поток тепла Оо=От+(21.+(21>, где радиационный поток тепла считается постоянным во времени и локализованным на поверхности водоёма. Напряжение трения поток явного тепла 0Т и поток скрытого тепла 0Ь (за счёт испарения) задаются соотношениями:

Здесь /~в - плотность воздуха, ср - теплоёмкость воздуха при

постоянном давлении, Ь - скрытая теплота парообразования, Си,Ст,Сд -

коэффициент трения ветра, числа Стентона и Дальтона для переноса тепла и

водяного пара соответственно, - температура и удельная влажность

воздуха, Т, q - температура воды и удельная влажность вблизи её

поверхности, р0 - плотность воды, V - скорость ветра.

На свободной поверхности водоё^я шр.тйпйгя™ волновыми

движениями (условие «твёрдой крышки»): И, —0 = 0 .

ах}

На дне водоёма задаются условия прилипания и не протекания для скорости и,_ =И_ — и3=0. Температура дна водоёма считается постоянной: Т — ТБ. На боковых границах задавались условия периодичности для всех составляющих потока.

Окончательно в безразмерном виде в переменных функциях тока граничные условия системы уравнений, описывающей конвективное упорядоченное движение в водоёме при воздействии ветра на его поверхность с учётом поверхностных загрязнений имеют следующий вид.

И

Для сред

дх.

-^ = К + А,Уь + А2Уь(0-0о)

[ри х} = 1:

и на дне при

Здесь ©0 - температура воздуха в безразмерном виде.

Граничные условия для упорядоченных составляющих на поверхности

Здесь - безразмерное значение скорости ветра.

Коэффициенты, входящие в безразмерные граничные условия на поверхности воды, равны:

Учёт плёнок поверхностных загрязнений при решении поставленной задачи проходил следующим образом. Из решения системы уравнений для циркуляции Ленгмюра, получаем значения скорости на поверхности водоёма, сгоняющего загрязнения в зоны конвергенции. Используя эти значения скорости, решается уравнение для определения толщины плёнки поверхностного загрязнения. Далее значения толщины плёнки используются в граничных условиях для расчёта скрытого потока тепла с помощью функции F\G), которая показывает изменение потока тепла за счёт испарения в зависимости от толщины и сорта загрязняющих веществ.

При численном решении задачи применялась явная конечно-разностная схема. Выбранная схема имеет порядок аппроксимации Вычисления

проводились до выхода решения на стационарный режим на сетке N :М=17x33. Шаг по времени т =0,001 выбирался из условия устойчивости счёта. Шаг по пространственной сетке h =0,0625.

Таким образом, построена математическая модель, позволяющая исследование влияния плёнок поверхностного загрязнения на условия возникновения и термогидродинамические характеристики циркуляции Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях, а также влияние циркуляции Ленгмюра на перераспределение плёнок поверхностного загрязнения по акватории водоёма.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ сначала, приводятся результаты расчётов я характеристик циркуляции:Ленгмюра без учёта поверхностных загрязнений. Далее исследуется влияние плёнок нефтепродуктов (сырая, нефть, мазут, дизельное топливо) различной толщины, на характеристики циркуляции, Ленгмюра.

Область Область _

конвергенции конвергенции» и] + и,(см/с)

б в

Рис.1: Структура течений в конвективном вихре при скорости ветра.\=6 м/с: а- линии функции* тока, профили: продольной скорости и/+£Г, на поверхности воды; б?-распределение изотерм суммарного поля температуры Т + Г для среднего и упорядоченного движений (обозначения на изолиниях соответствуют отклонению температуры от температуры дна в °С); в - линии равных скоростей иу+В, суммарного поля среднего и упорядоченного движения для продольной составляющей скорости. (Значения скорости приведены в см/с).

С помощью математической; модели были рассчитаны характерные поля гидродинамических характеристик циркуляции; Ленгмюра- при отсутствии загрязнений на поверхности водоёма: распределения изолиний функции тока

профиль продольной составляющей скорости И/+8', вдоль осей циркуляции Ленгмюра и температуры Т+Т в водоёме (Рис. 1).

Полученные данные хорошо согласуются с натурными наблюдениями, что позволяет сделать вывод о правильности построения математической модели (Табл. 1).

Табл. 1: Сравнение свойств циркуляций Ленгмюра со свойствами _модельных конвективных вихрей_

Цир-ции Ленгмюра Мод. цир-ции

1 Циркуляции исчезают при скорости ветра >12-14 м/с >14 м/с

2 Существуют при полож. и отриц. перепаде температур вода-воздух Да Да

3 Вихри ассиметричны. Зоны конвергенции уже зон дивергенции в 1,2 раза в 1,5 раза

4 Скорость нисходящих потоков в зоне конвергенции 2-10 см/с 1-2 см/с

5 Скорость восходящих потоков в зоне дивергенции меньше чем в зоне конвергенции в 2 раза в 1,9 раза

6 Перепад температур между зонами конвергенции и дивергенции ((2-8)10^)°С ((2-3)-10")°С

7 Скорость течения на поверхности воды вдоль направления ветра в полосах конвергенции максимальна До 20 см/с 2-15 см/с

8 Разность скоростей на поверхности в зонах конвергенции и дивергенции 1-17 см/с ~3 см/с

9 Коэффициент турбулентного обмена 1-800 см2/с 20-200 см^/с

Возникающие в водоёме при увеличении скорости ветра циркуляции Ленгмюра приводят к тому, что поверхностные плёнки загрязнений в зонах дивергенции и конвергенции имеют разную толщину: в зонах конвергенции они * толще, а в зонах дивергенции - тоньше. Интересной особенностью распределения плёнки является то, что увеличение её толщины в зонах конвергенции всегда больше, чем её уменьшение в зонах дивергенции. Аналогичная зависимость наблюдается для всех рассматриваемых видах загрязняющих веществ. Однако для этих плёнок перепад толщины между зонами конвергенции и дивергенции больше, чем для плёнок сырой нефти. Это связано с тем, что плёнки сырой нефти больше препятствуют испарению воды с поверхности водоёма.

С увеличением толщины плёнки поверхностного загрязнения происходит выравнивание изотерм и увеличение поверхностной температуры во всей области, охваченной циркуляциями Ленгмюра (Рис. 2).

При увеличении толщины плёнки, а, следовательно, уменьшении потоков: тепла из водоёма в атмосферу, происходит дальнейший нагрев поверхностных вод, более равномерное распределение температуры по поверхности водоёма, дальнейшее увеличение устойчивости водных масс и прекращение конвекции. Это сопровождается увеличением скорости течения воды в циркуляциях вдоль направления ветра, как на поверхности, так и по всей глубине водоёма (Рис. 3).

!

Рис. 2: Поля распределения отклонения температуры от температуры дна (г+Г) в поле течения циркуляций Ленгмюра для плёнок поверхностного загрязнения сырой нефти толщиной б,. (Значения отклонения температур на изолиниях приведены в °С, толщина плёнки загрязнения (?„ выражена в мкм).

Рис. 3 Изолинии поля скорости («/+!?,) вдоль оси течения циркуляции Ленгшора для пленок поверхностного загрязнения сырой нефти толщиной (Значения скорости на изолиниях приведены в см/с, толщина плёнки загрязнения б, выражена в мкм)

При определении влияния таких характеристик пленок, как диффузия и время релаксации на их распределение по поверхности водоема в поле течение циркуляции Ленгмюра выяснилось, что наибольшие отклонения толщины пленки от первоначального распределения наблюдаются при меньших значениях коэффициента диффузии и значительно уменьшаются с увеличением D. При этом сужается область концентрации загрязняющих веществ. Увеличение D приводит к тому, что неравномерное распределение плёнки загрязнения по поверхности водоема стремится к начальному распределению (Рис. 4).

Исследование влияния времени релаксации на перераспределение плёнок по поверхности водоёма, показало, что при больших значениях времени релаксации (Рис. 5, г=500 с) релаксационные процессы не ограничивают рост концентрации вещества в зонах конвергенции так сильно, как они ограничивают рост толщины плёнки в этой зоне при достаточно быстрой релаксации (Рис. 5, т=10 с).

Аналогичная тенденция прослеживается для плёнок дизельного топлива и плёнок мазута. Наиболее сильно в поле течения циркуляции Ленгмюра деформируются плёнки дизельного топлива малой толщины. Толстые плёнки при заданных параметрах времени релаксации и коэффициенте диффузии в отличие от плёнок сырой нефти и мазута, практически сразу становятся равномерно распределёнными по поверхности водоёма.

При медленном обмене именно диффузионные процессы препятствуют отклонению толщины поверхностных плёнок от начального распределения в поле течений циркуляции Ленгмюра.

Таким образом, проведены расчёты характеристик циркуляции Ленгмюра в водоёме, свободном от поверхностных загрязнений, то есть с "чистой" поверхностью, а также анализ результатов численного эксперимента влияния плёнок поверхностного загрязнения, таких как сырая нефть, мазут и дизельное-топливо на развитие циркуляции Ленгмюра при различных параметрах плёнки, а также оценены численные значения этих величин, при которых прекращается формирование верхнего квазиоднородного слоя водоёма циркуляциями Ленгмюра.

Показано, что в поле течения циркуляции Ленгмюра происходит перераспределение поверхностных загрязнений так, что относительное увеличение толщины плёнки всегда больше в зонах конвергенции, чем в зонах дивергенции. С увеличением начальной толщины плёнки Оо интегрально по всей поверхности водоёма происходит уменьшение потока тепла из водоёма в атмосферу за счёт испарения. Это сопровождается увеличением поверхностной температуры и её выравниванием по акватории водоёма, увеличением устойчивости водных масс, подавлением конвекции и увеличением скорости дрейфового течения по всей глубине водоёма. Выявлено, что наиболее препятствуют возникновению циркуляции Ленгмюра плёнки сырой нефти.

Анализ расчётов влияния диффузии и времени релаксации плёнок поверхностных загрязнений на характеристики циркуляции Ленгмюра показал, что увеличение отклонения толщины плёнки от первоначального значения наблюдается при уменьшении коэффициента диффузии и увеличении времени релаксации плёнки. Оценены значения этих параметров при которых циркуляции Ленгмюра не возбуждаются.

В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ исследуются влияния гидрометеорологических условий, таких как скорость ветра, радиационный балансовый поток тепла и влажность воздуха на параметры циркуляции Ленгмюра при наличии в водоёме плёнок загрязнений нефтепродуктов.

При расчётах скорость ветра принимала значения V = 0 - 18 м/с с шагом 2 м/с, глубина модельного водоёма Н=10 метров, перепад температуры между воздухом и дном водоёма принимался равным АТ = Т-Тв =-2°С, толщина плёнок загрязнения Оо от 1 до 400 мкм, величина радиационного балансового потока тепла QR изменялась от 200Вт/м2 до -200 Вт/м2. Относительная влажность воздуха принимала значения от 50 до 95%, коэффициент диффузии Б изменяется от 0,001 до 0,1 м2/с.

Выявлено, что увеличение скорости ветра приводит (для всех толщин плёнок поверхностного загрязнения) сначала к усилению конвекции, а затем к подавлению циркуляции Ленгмюра. При этом наиболее интенсивное движение воды наблюдается при разных скоростях ветра в зависимости от толщины плёнки и смещается в сторону меньших значений скоростей ветра.

Выявлена особенность распределения в профилях для температуры и скорости дрейфового течения. Скорость дрейфового течения на поверхности водоёма увеличивается с увеличением скорости ветра при всех толщинах плёнок. Однако при скорости ветра большей. У=12 м/с вне зависимости от толщины плёнки скорость поверхностного течения одинакова (Рис. 6 б), а при этом перепад температуры в толще воды увеличивается до тех пор, пока существуют вихревые структуры. Далее, с увеличением скорости ветра, температура на поверхности воды поддерживается постоянной в соответствии с толщиной плёнки при прекращении конвекции (Рис. 6 а).

Д Т (°С)

а 5

Рис.6: Отклонения ДТ температуры поверхности воды от температуры дна (а) и скорость течения воды на поверхности водоёма и/ (б) для среднего движения при различных толщинах плёнок поверхностного загрязнения С70 в зависимости от скорости ветра V: 1 - С„=1 мкм, 2- <7Л=10мкм, 3 - СЛ=100 мкм,4- <?„ =400 мкм.

Далее в работе исследуется зависимость влияния радиационного балансового потока тепла на характеристики циркуляции Ленгмюра при наличии поверхностных загрязнений.

Показано, что наибольшее значение числа Грасгофа а, следовательно, и наибольшая неустойчивость водных масс соответствует ночному времени, когда происходит выхолаживание верхних слоев водоёма. Положительные

значения QR соответствуют потоку в ночное время, отрицательные - в дневное (Рис. 7).

Рис.. 7: Профили отклонения температуры от температуры дна АТ для среднего движения при различных значениях О,: 1 - 0Л =-200Вт/м2, 2 - =-100Вт/м2,3-0, =-50 Вт/м2, 4- £?* =0,5- £?„ 100 Вт/м\ 6- О.=200 Вт/м2.

6 5 4 .4 2 НМ I

Со (мкм)

Рис. 8: Области

существования циркуляций Ленгмюра в зависимости от

толщины

плёнки

0 , (Вт/м2)

поверхностного загрязнения и радиационного балансового потока тепла QR при различных значениях скорости ветра V:

-200 -150 -100 -50 О 50 100 150 200

1 - У=2 м/с, 2 - У=4 м/с, 3 - У=6 м/с, 4 - У=10 м/с.

Определены области существования циркуляции Ленгмюра в зависимости от толщины плёнки поверхностного загрязнения и радиационного балансового потока тепла для различных скоростей ветра (Рис. 8). Для

параметров <70 и , находящихся выше кривой для соответствующей скорости ветра V, циркуляции Ленгмюра не возбуждаются.

Видно, что при толстых плёнках (Сг0=400 мкм) уже небольшое

увеличение 0,ц днём приводит к подавлению конвекции и, следовательно, к быстрому выравниванию плёнки по толщине.

Исследование влияния относительной влажности воздуха на характеристики циркуляции Ленгмюра при наличии плёнок поверхностного загрязнения показало, что увеличение относительной влажности воздуха приводит к выравниванию профилей температуры и скорости для среднего движения (дрейфового течения). Это является следствием того, что увеличение влажности воздуха приводит к уменьшению испарения с поверхности воды и, как следствие, к уменьшению перепада температуры поверхность - дно водоёма, а, следовательно, к уменьшению интенсивности конвективного движения.

Л%)

ео

Рис. 9: Области существования циркуляций Ленгмюра в зависимости от влажности воздуха^ и толщины плёнки поверхностного загрязнения при различных

значениях скорости ветра V:

1 - У=4 м/с, 2 - У=6 м/с, 3 - У=10 м/с.

о

С« (мкм)

О 50 100 150 200 250 300 350 400

Построены нейтральные кривые, определяющие области существования циркуляции Леигмюра в зависимости от толщины плёнки загрязнения (? и влажности воздуха /при различных значениях скорости ветра V (Рис. 9). Для значений относительной влажности воздуха f и толщины плёнки поверхностного загрязнения Оо находящихся ниже кривой для определённой скорости ветра V выполняются условия для развития циркуляции Ленгмюра. ОСНОВНЫЕРЕЗУЛЬТА ТЫ

1. Построена математическая модель циркуляции Ленгмюра при наличии поверхностных загрязнений, позволяющая:

а) исследовать влияние плёнок поверхностных загрязнений на условия возникновения, формирование и термогидродинамические характеристики циркуляции Ленгмюра, охватывающих верхний квазиоднородный слой водоёмов,

б) исследовать влияние циркуляции Ленгмюра на перераспределение плёнок поверхностного загрязнения по акватории водоёма,

в) выявить влияние различных гидрометеорологических условий (скорость ветра, температура воды и атмосферы, относительная влажность воздуха, радиационный нагрев воды) на форхмирование циркуляции Ленгмюра в условиях наличия загрязняющих веществ на поверхности водоёма.

2. Проведён анализ результатов численного эксперимента по влиянию плёнок поверхностного загрязнения, таких как сырая нефть, мазут и дизельное топливо на развитие циркуляции .Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях и параметрах плёнки. Определён диапазон гидрометеорологических условий существования циркуляции Ленгмюра:

а) Показано, что интенсивность циркуляции Ленгмюра зависит от значения скорости ветра, сорта и толщины плёнки поверхностного загрязнения. Увеличение скорости ветра приводит сначала к усилению, а затем к подавлению конвекции. При отсутствии загрязняющих веществ на поверхности водоёма наиболее интенсивное движение в циркуляциях Ленгмюра наблюдается при скорости ветра V=6 м/с и при увеличении толщины плёнок смещается в сторону меньших скоростей ветров,

б) Показано, что независимо от толщины плёнки скорость дрейфового течения увеличивается с увеличением скорости ветра по всей глубине водоёма, а вертикальный профиль этой скорости стремится к профилю, который наблюдается при толщинах плёнок, подавляющих циркуляции Ленгмюра. В то же время, температура поверхностных вод с увеличением скорости ветра увеличивается и при прекращении конвекции поддерживается постоянной в соответствии с толщиной и свойствами плёнки,

в) Показано, что увеличение толщины плёнки загрязнения в зонах схождения вихрей всегда больше, чем её уменьшение в зонах расхождения,

г) Показано, что увеличение отклонения толщины плёнки от первоначального распределения наблюдается при уменьшении коэффициента диффузии и увеличении времени релаксации плёнки. Оценены значения этих параметров, при которых циркуляции Ленгмюра не возбуждаются,

д) Исследована конвективная неустойчивость водных масс. Построены зависимости числа Грасгофа от различных значений радиационного балансового потока тепла и толщинах плёнок загрязнения. Определены области предельных значений радиационного балансового потока тепла и относительной влажности воздуха, подавляющих циркуляции Ленгмюра для различных толщин плёнок и скорости ветра.

РЕЗУЛЬ ТА ТЫДИССЕРТАЦИИОПУБЛИКОВАНЫВ РАБОТАХ

1. Быкасова С. В., Блохина Н. С, Орданович А. Е. //Влияние внешних условий

на термогидродинамические характеристики циркуляции Ленгмюра // Труды 5 конференции «Динамика и термика рек, озёр и морских прибрежных зон», Москва, 22 - 26 ноября, 1999 г, стр. 108 - 111.

2. Блохина Н. С, Быкасова С. В., Показеев К. В. // Влияние циркуляции Ленгмюра на распределение плёнок поверхностного загрязнения // Сборник трудов Второй Всероссийской научной конференции «Физический проблемы экологии. Экологическая физика», том 4, Москва, Физический факультет, МГУ им. М. В. Ломоносова, 1999 г., стр. 46-53.

3. N. S. Blokhina, S. V. Bykasova, К. V. Pokazeev II Influence of order vortex

structures on a pollution surface films distribution, abstract of the International conference "Fluxes and structures in fluids", June 10 - 12, 1999, Sanct -Petersburg, Russia, Educational Center "LAKHTA", p. 13 - 14. 4 Блохипа Н. С, Быкасова С. В. // Плёнки поверхностного загрязнения и характеристики циркуляции Ленгмюра // Материалы Второй Всероссийской научной молодёжной школы "Возобновляемые источники энергии", Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова, ноябрь, 2000 г., стр. 82 - 84.

5. N S. Blokhina, S. V. Bykasova, A. E. Ordanovich // Mathematical model of

Langmuir circulation, European Geophysical Society XXV General Assembly, NICE, France, April 24-29, 2000. htto://ww.copernicus.org/EGS/EGS.htm1. sec. NP9.

6. Быкасова С. В. //Распределение плёнок поверхностного загрязнения в поле периодического течения циркуляции Ленгмюра // Тезисы докладов VII Всероссийской школы "Волновые явления в неоднородных средах", Красновидово, май, 2000 г,

7. Быкасова С. В. //Характеристики плёнок поверхностного загрязнения в поле неоднородного течения циркуляции Ленгмюра // Тезисы докладов Всероссийской конференции "Необратимые процессы в природе и технике", Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000 г, стр. 134 - 135.

8. Быкасова С. В., Блохипа Н. С, Орданович А. Е. // Развитие циркуляции Ленгмюра в водоёме при наличии поверхностно-активных веществ на его поверхности // Тезисы докладов на третьей Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии. Экологическая физика", Москва, Физический факультет, МГУ, 22-24 мая, 2001 г, стр. 62-63.

9. Блохина Н. С, Быкасова С. В., Показеев К. В., Орданович А, Е. //Влияние плёнок поверхностного загрязнения на характеристики циркуляции Ленгмюра // Материалы юбилейной Всероссийской научной конференции "Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы", Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова, октябрь - ноябрь, 2002 г., стр. 7 - 8.

ООП Физ ф-та МГУ. Заказ 21-90-04

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Быкасова, Светлана Владимировна

Введение

Глава 1: Обзор работ по исследованию поверхностных загрязнений и взаимодействия океана и атмосферы.

1.1 Нефтяные углеводороды и океан.

1.2 Поверхностные загрязнения и динамическое взаимодействие океана с атмосферой.

1.3 Влияние плёнок поверхностных загрязнений на испарение с поверхности водоёма.

1.4 Влияние плёнок поверхностных загрязнений на тепловые потоки.

1.5 Циркуляции Ленгмюра (условия возникновения, свойства циркуляций Ленгмюра).

Глава 2: Модель циркуляций Ленгмюра при наличии плёнок загрязнения на поверхности водоёма.

2.1 Крупные вихревые образования в турбулентных стратифицированных горизонтальных потоках, когерентные структуры.

2.2 Методика выделения крупномасштабных когерентных структур в турбулентной среде.

2.3 Ввод операторов осреднения.

2.4 Системы уравнений термогидродинамики, описывающие циркуляции Ленгмюра.

2.5 Ввод коэффициентов турбулентного обмена и уравнение замыкания.

2.6 Система уравнений для среднего движения и когерентных структур в безразмерном виде.

2.7 Уравнение баланса поверхностной концентрации.

2.8 Граничные условия.

2.9 Конечно-разностные схемы, формулы для аппроксимации.

Глава 3: Влияние плёнок поверхностного загрязнения на характеристики циркуляций Ленгмюра.

3.1 Характеристики циркуляций Ленгмюра в водоёме, свободном от поверхностных загрязнений.

3.2 Влияние плёнок поверхностного загрязнения на характеристики циркуляций Ленгмюра.

3.3 Влияние диффузии и времени релаксации плёнок загрязнения на их распределение по поверхности водоёма в поле течения циркуляций Ленгмюра.

Глава 4: Влияние гидрометеорологических условий на характеристики циркуляций Ленгмюра при наличии плёнок поверхностного загрязнения в водоёме.

4.1 Влияние скорости ветра на развитие циркуляций Ленгмюра при наличии в водоёме плёнок поверхностного загрязнения.

4.2 Влияние радиационного балансового потока тепла на характеристики циркуляций Ленгмюра и плёнки поверхностного загрязнения.

4.3 Влияние влажности воздуха на развитие циркуляций Ленгмюра при наличии в водоёме плёнок поверхностного загрязнения.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние плёнок поверхностных загрязнений на формирование циркуляций Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Термическое и динамическое взаимодействие океана с атмосферой приводит к тому, что в океане возникают термогидродинамические процессы, приводящие к перемешиванию верхнего слоя океана и формированию его квазиоднородного слоя.

Одним из механизмов, приводящим к формированию верхнего квазиоднородного слоя водоёмов, является перемешивание циркуляциями Ленгмюра, которые представляют собой вытянутые вдоль направления ветра валиковые вихревые структуры, охватывающие деятельный слой водоёма. Направление вращения частиц жидкости в соседних валиках циркуляций противоположны, что приводит к чередованию зон конвергенции (схождения) и дивергенции (расхождения) вод на поверхности водоёма. Скорость опускания воды в зонах конвергенции составляет несколько сантиметров в секунду. Такие большие вертикальные скорости играют важную роль в процессе перемешивания и формирования верхнего деятельного слоя водоёма.

Циркуляции Ленгмюра широко распространённое явление, которое наблюдается как в небольших водоёмах, так и в океанах при умеренных скоростях ветра. Впервые на это явление обратил внимание Ленгмюр, проведя серию экспериментов на озере Джордж (США). Впоследствии эти циркуляции получили название циркуляций Ленгмюра.

В последнее время появилось достаточно работ, исследующих циркуляции Ленгмюра в природных условиях. Однако отсутствие надёжных материалов о динамике и термине вод в период развития циркуляций Ленгмюра не позволили до сих пор разработать обобщённую математическую модель этого явления. Анализ результатов натурных наблюдений всё же позволяет сделать вывод, что возникновение циркуляций Ленгмюра существенным образом связано с гидрометеорологической ситуацией, что необходимо учитывать при моделировании этого явления. В частности скорость ветра, температура воды и воздуха, а, следовательно, потоки скрытого и явного тепла определяют гидродинамическую неустойчивость водных масс, приводящих к возникновению циркуляций Ленгмюра.

Наряду с гидродинамическими условиями поверхностные загрязнения могут существенно повлиять на гидродинамические процессы в водоёмах и в частности на условия возбуждения циркуляций Ленгмюра. Огромные масштабы нефтяных загрязнений, которые покрывают акваторию нефтяной плёнкой, не разрушающейся в течении многих суток, ставят перед океанологией совершенно новую задачу - изучение влияния нефтяных загрязнений на различные гидрофизические поля, поверхностные явления в океане и процессы взаимодействия атмосферы и океана, которое осуществляется как динамическим, так и термическим путём.

Наличие плёнок поверхностных загрязнений, таких как нефтяные плёнки и плёнки нефтепродуктов существенным образом изменяют процессы газообмена, испарения и теплообмена водоёма с атмосферой. Поверхностные плёнки изменяют параметры ветровых волн, что в свою очередь влияет на профили скорости ветра и течения. При этом изменяются потоки энергии и импульса между водоёмом и атмосферой, то есть изменяется термическое и динамическое взаимодействие пограничных слоёв водоёма и атмосферы. Наличие на водной поверхности плёнок нефтепродуктов существенно изменяет потоки скрытого и явного тепла из водоёма в атмосферу и тем самым условия возникновения и развития циркуляции Ленгмюра, а, следовательно, и условия формирования деятельного слоя водоёма. Сами циркуляции Ленгмюра, вследствие неоднородности течения воды на поверхности, перераспределяют поверхностные загрязнения, сгоняя их в зоны конвергенции. Это приводит к неоднородному распределению плёнок загрязнения по акватории водоёма и соответственно к неоднородности потоков тепла между водоёмом и атмосферой, что сказывается на характеристиках циркуляции Ленгмюра.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изучение влияния циркуляций Ленгмюра на формирование верхнего деятельного слоя водоёма в условиях наличия практически всегда присутствующих в водоёмах плёнок загрязняющих веществ, является весьма актуальной задачей.

В настоящее время отсутствуют работы по моделированию циркуляций Ленгмюра с учётом плёнок загрязнений на поверхности водоёма. Поэтому построение математической модели, позволяющей учитывать параметры плёнок загрязнений и гидрометеорологические условия, является весьма своевременной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной работы является исследование влияния плёнок поверхностного загрязнения на условия возникновения и термогидродинамические характеристики циркуляций Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях и влияния циркуляций Ленгмюра на формирование плёнок поверхностного загрязнения.

ОСНОВНЫЕ ЗАДА ЧИ РАБОТЫ И ЗА ЩИЩЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. построить математическую модель циркуляции Ленгмюра с учётом наличия плёнок поверхностного загрязнения на акватории водоёма при различных гидрометеорологических условиях,

2. создать вычислительную программу для расчёта термогидродинамических характеристик циркуляций Ленгмюра,

3. используя построенную модель, определить параметры плёнок различных нефтепродуктов, при которых циркуляции Ленгмюра существуют,

4. используя построенную модель, исследовать влияние различных гидрометеорологических условий на параметры циркуляций Ленгмюра при наличии в водоёме плёнок поверхностного загрязнения,

5. используя построенную модель, исследовать влияние циркуляций Ленгмюра на перераспределение плёнок загрязнения по поверхности водоёма.

НА УЧНАЯ НОВИЗНА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬ ТА TOB

Впервые построена математическую модель циркуляций Ленгмюра с учётом наличия плёнок поверхностного загрязнения на акватории водоёма.

Определены параметры плёнок различных нефтепродуктов на условия возникновения и термогидродинамические характеристики циркуляций Ленгмюра. Исследовано влияние различных гидрометеорологических условий на характеристики циркуляции Ленгмюра при наличии в водоёме плёнок поверхностного загрязнения. Исследовано влияние циркуляций Ленгмюра на перераспределение плёнок загрязнения по поверхности водоёма. Определён диапазон гидрометеорологических условий существования циркуляций Ленгмюра.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХРЕЗУЛЬ ТА TOB

Результаты, полученные в ходе математического моделирования, согласуются с результатами натурных измерений и результатами лабораторного моделирования. Выводы данной работы согласуются с результатами, полученными ранее другими авторами.

ПРАКТИЧЕСКАЯЗНА ЧИМОСТЬ

Результаты диссертации являются важным шагом в исследовании проблемы влияния плёнок поверхностного загрязнения на условия формирования циркуляций Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях. Полученные данные свидетельствуют о том, что плёнки загрязнения оказывают непосредственное влияние на развитие в водоёме циркуляций Ленгмюра, на термическое и динамическое взаимодействие океана и атмосферы, на формирование верхнего деятельного квазиоднородного слоя водоёма. Результаты диссертации могут быть использованы при разработке методов расчёта тепломассообмена атмосферы и океана с учётом поверхностных загрязнений водоёма, построение моделей глобального взаимодействия атмосферы и водоёмов, а также климатических моделей.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

В процессе выполнения диссертационной работы автор принимал непосредственное участие в постановке задачи, выборе и реализации методов их решения, обработке, анализе и интерпретации результатов математического и физического моделирования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ. Основные результаты и положения, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. 5 конференция «Динамика и термика рек, озёр и морских прибрежных зон», Москва, 1999 г.,

2. Всероссийская научная конференция «Физическая экология», щ Москва, 2-ая- 1999 г., 3-я-2001 г.,

3. VII Всероссийская школа "Волновые явления в неоднородных средах", Красновидово, 2000 г.,

4. Генеральная Ассамблея Европейского Геофизического Общества, Ницца, Франция, 2000 г.,

5. Вторая Всероссийская научная молодёжная школа "Возобновляемые источники энергии", Москва, 2000 г.,

6. Всероссийская конференция "Необратимые процессы в природе и технике", Москва, 2000 г.,

7. Юбилейная Всероссийская научная конференция "Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы", Москва, 2002 г.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ

Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. После каждой главы приводятся её выводы. Диссертация содержит 137 страниц текста и 33 рисунка.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Быкасова, Светлана Владимировна

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 4

Проведён анализ результатов численного эксперимента влияния плёнок поверхностного загрязнения, таких как сырая нефть, мазут и дизельное топливо на развитие циркуляций Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях, а также оценены численные значения этих величин, при которых прекращаются циркуляции Ленгмюра.

Показано, что интенсивность циркуляций Ленгмюра зависит от значения скорости ветра. Увеличение скорости ветра приводит сначала к усилению, а затем к подавлению конвекции. При отсутствии загрязняющих веществ на поверхности водоёма наиболее интенсивное движение в циркуляциях Ленгмюра наблюдается при скорости ветра У=6м/с и при увеличении толщины плёнок смещается в сторону меньших скоростей ветров. Для плёнок толще 400 мкм при скорости ветра У=2 - 3м/с циркуляции Ленгмюра прекращают существование.

Показано, что независимо от толщины плёнки скорость дрейфового течения увеличивается с увеличением скорости ветра по всей глубине водоёма, а вертикальный профиль этой скорости стремится к профилю, который наблюдается при толщинах плёнок, подавляющих циркуляции Ленгмюра. В то же время, температура поверхностных вод с увеличением скорости ветра увеличивается и при прекращении конвекции поддерживается постоянной в соответствии с толщиной и свойствами плёнки. При более толстых плёнках температура поверхности воды выше.

Построены зависимости числа Грасгофа, характеризующего конвективную неустойчивость водных масс, при различных значениях радиационного балансового потока тепла и толщинах плёнок загрязнения. Определена область предельных значений этого потока, подавляющих циркуляции Ленгмюра. Так для плёнок толщиной 10 мкм - это поток днём, больший 100 Вт/м . Для плёнок толщиной 400 мкм конвекция прекращается при радиационном балансовом потоке тепла незначительно превышающего нулевое значение. Определены области существования циркуляций Ленгмюра в зависимости от скорости ветра и радиационного балансового потока тепла.

Анализ результатов численного эксперимента влияния относительной влажности воздуха f на развитие циркуляций Ленгмюра показал, что увеличение / приводит к увеличению устойчивости водных масс и подавлению циркуляций Ленгмюра. Определены области существования циркуляций Ленгмюра в зависимости от скорости ветра и влажности воздуха. Для относительно тонких плёнок порядка 10 мкм при относительной влажности воздуха больше 80% циркуляции Ленгмюра не возбуждаются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К основным результатам и выводам проделанной работы можно отнести:

1. Построение физической и математической модели, позволяющей: а) исследовать влияние плёнок поверхностных загрязнений на условия возникновения, формирование и термогидродинамические характеристики периодических вихревых структур (циркуляций Ленгмюра), охватывающих верхний квазиоднородный слой водоёмов, б) исследовать влияние циркуляций Ленгмюра на перераспределение плёнок поверхностного загрязнения по акватории водоёма, в) выявить влияние различных гидрометеорологических условий (скорость ветра, температура воды и атмосферы, относительная влажность воздуха, радиационный нагрев воды) на формирование циркуляций Ленгмюра в условиях наличия загрязняющих веществ на поверхности водоёма.

2. Проведение анализа результатов численного эксперимента влияния плёнок поверхностного загрязнения, таких как сырая нефть, мазут и дизельное топливо на развитие циркуляций Ленгмюра при различных гидрометеорологических условиях и параметрах плёнки, а также оценки численных значений этих величин, при которых прекращается формирование верхнего квазиоднородного слоя водоёма циркуляциями Ленгмюра. а) Показано, что интенсивность циркуляций Ленгмюра зависит от значения скорости ветра, сорта и толщины плёнки поверхностного загрязнения. Увеличение скорости ветра приводит сначала к усилению, а затем к подавлению конвекции. При отсутствии загрязняющих веществ на поверхности водоёма наиболее интенсивное движение в циркуляциях Ленгмюра наблюдается при скорости ветра У=6м/с и при увеличении толщины плёнок смещается в сторону меньших скоростей ветров. б) Показано, что независимо от толщины плёнки скорость дрейфового течения увеличивается с увеличением скорости ветра по всей глубине водоёма, а вертикальный профиль этой скорости стремится к профилю, который наблюдается при толщинах плёнок, подавляющих циркуляции Ленгмюра. В то же время, температура поверхностных вод с увеличением скорости ветра увеличивается и при прекращении конвекции поддерживается постоянной в соответствии с толщиной и свойствами плёнки. При более толстых плёнках температура поверхности воды выше. в) Показано, что плёнки сырой нефти по сравнению с другими нефтепродуктами наиболее препятствуют возбуждению циркуляций Ленгмюра. г) Показано, что циркуляции Ленгмюра способствуют неравномерному распределению плёнок поверхностного загрязнения по акватории водоёма, увеличивая её толщину в зонах конвергенции и уменьшая в зонах дивергенции. Увеличение её толщины в зонах схождения вихрей всегда больше, чем уменьшение в зонах расхождения. д) Анализ расчётов влияния свойств плёнок поверхностных загрязнений (диффузии и времени релаксации) на характеристики циркуляций Ленгмюра показал, что увеличение отклонения толщины плёнки от первоначального значения наблюдается при уменьшении коэффициента диффузии и увеличении времени релаксации плёнки. Оценены значения этих параметров при которых циркуляции Ленгмюра не возбуждаются. ж) Построены зависимости числа Грасгофа, характеризующего конвективную неустойчивость водных масс, при различных значениях радиационного балансового потока тепла и толщинах плёнок загрязнения. Определена область предельных значений этого потока, подавляющих циркуляции Ленгмюра и области существования циркуляций Ленгмюра в зависимости от толщины плёнки поверхностного загрязнения и радиационного балансового потока тепла при различных значениях скорости ветра. з) Анализ результатов численного эксперимента влияния относительной влажности воздуха на развитие циркуляций Ленгмюра показал, что её увеличение приводит к увеличению устойчивости водных масс и подавлению циркуляций Ленгмюра. Определены области существования циркуляций Ленгмюра в зависимости от толщины плёнки поверхностного загрязнения и относительной влажности воздуха при различных значениях скорости ветра.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Быкасова, Светлана Владимировна, Москва

1. Блохина Н. С., Быкасова С. В.

2. МГУ им. М. В. Ломоносова, октябрь ноябрь, 2002, стр. 7-8.

3. Блохина Н. С., Гусев А. М.

4. Математическое моделирование конвективного движения жидкости при наличии дрейфового течения // Океанология, т. 28, вып. 1, 1988, стр. 65 71.

5. Блохина Н. С., Орданович А. Е.

6. Влияние гидрометеорологических условий на конвективные вихревые структуры в верхнем слое водоёма // Метеорология и гидрология, № 10, 1992, стр. 55 62.

7. Блохина Н. С., Орданович А. Е.

8. Влияние загрязнений поверхности воды нефтепродуктами на формирование циркуляций Ленгмюра и энергообмен между водоёмом и атмосферой // Вестник МГУ, сер. 3, Физика. Астрономия, №3, 1997, стр. 52 55.

9. Блохина Н. С., Орданович А. Е.

10. Математическое моделирование вихревых структур в верхнем слое водоёма // Физика атмосферы и океана, том 30, N5, 1994, стр. 686 695.

11. Богородский В. В., Шевелева Т. Ю., Тарашкевич В. Н. Воздействие плёнки нефти на волнение водной поверхности // Докл. АН СССР, том 255, №1, 1980, стр. 198 201.1. Бортковский Р. С.

12. О влиянии загрязнения воды на теплоотдачу и испарение морской поверхности при шторме // Труды ГГО, вып. 423, 1997, стр. 22 28.

13. Бортковский Р. С., Бютнер Э. К.

14. Расчёт коэффициента теплообмена над морем // Изв. АН СССР, сер. «Физика атмосферы и океана», том 5, N5, 1969. Бортковский Р. С., Бютнер Э. К, Мапевский Малевич С. П., Преображенский Л. Ю.

15. Процессы переноса вблизи поверхности раздела океан -атмосфера // J1.: Гидрометеоиздат, 1974. Бояринорв П. М., Петров М. П.

16. Распределение плёнок поверхностного загрязнения в поле периодического течения циркуляций Ленгмюра // Сборник трудов VII Всероссийской школы "Волновые явления в неоднородных средах", Красновидово, май, 2000.1. Быкасова С. В.

17. Характеристики плёнок поверхностного загрязнения в поле неоднородного течения циркуляций Ленгмюра // Сборник трудов Всероссийской конференции "Необратимые процессы в природе и технике", Москва, 2000. Бютнер Э. К,

18. Динамика приповерхностного слоя воздуха // Л.: Гидрометеоиздат, 1978. Бютнер Э. К., Захарова О. К

19. Влияние нефтяной плёнки на сопротивление поверхности при умеренном ветре //Труды ГГО, вып. 423, 1979, стр. 3-5. Гершуни Г. 3., Жуховицкий Е. М.

20. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости // Москва, 1977,392 стр.

21. Глуховская Т. Б., Орданович А. Е.

22. Теоретическое изучение упорядоченных структур, возникающих в верхнем слое водоёма при воздействии ветра на его поверхность //Метеорология и гидрология, №2, 1987, стр. 62 70.

23. Грязное В. Л., Полежаев В. И.

24. Исследование некоторых разностных схем и аппроксимация граничных условий для численного решения уравнений тепловой конвекции И М.: Институт прикладной механики АН СССР, Препринт №40, 1974. Дуванин А. И.

25. Взаимодействие океана с окружающей средой // Москва, 1983.

26. Зависимость коэффициента сопротивления морской поверхности от скорости ветра // Труды ГГО, вып. 423, 1979.28. Зеленько А. А.

27. Равновесная модель циркуляций Ленгмюра в океане // Метеорология и гидрология, №12, 1978, стр. 56 64.

28. Иванов В. В., Коломеев М. П., Чекрыжов В. М.

29. Влияние тонких нефтяных плёнок на радиационную температуру водной поверхности и скорость газообмена // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, т. 25, №2, 1989.

30. Иванов В. В., Коломеев М. П., Чекрыжов В. М. Лабораторные исследования влияния нефтяной плёнки на испарение воды в условиях ветрового обдува // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, т. 22, N5,1986, стр. 553 555.

31. Иванов В. В., Чекрыжов В. М.

32. Влияние загрязнений на температурный режим морской поверхности // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, т.27, №8, 1991.

33. Иванов В. В., Чекрыжов В. М.

34. Лабораторные исследования влияния тонких плёнок нефтепродуктов на процессы влаго- и газопереноса через водную поверхность // Водные ресурсы, N5, 1990, стр. 178 179.1. Казьмин А. С.

35. Физико-математическая модель турбулентного горизонтального стратифицированного потока с учётом когерентных структур. 4.1. Построение модели //М.: МГУ, Деп. в ВИНИТИ, № 27 81, 1981,34 стр.

36. О моделировании упорядоченных структур в открытых турбулентных потоках // Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа, №4, 1981, стр. 45 52. Монин А. С, Красицкий В. П.

37. Явления на поверхности океана//Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 375 стр.1. Монин А. С., Яглом А. М.

38. Статистическая гидромеханика // М.: Наука, ч. 2, 1967, 720 стр. Озмидов Р. В.

39. Диффузия примесей в океане // Л.: Гидрометеоиздат, 1986, стр. 135 143. Озмидов Р. В.

40. О полосах схождения и поперечных циркуляциях в ветровых течениях в море // Труды ГОИН, №39, 1960. Пелиновский Е. Н., Талипова Т. Г.

41. Некоторые экологические аспекты моделирования переноса нефтяного загрязнения с учётом циркуляций Ленгмюра // Тез. Доклада 3-го Международного молодёжного экологического форума «Экобалтика 2000», Санкт - Петербург, 26 - 30 июня, 2000. Роуч П.

42. Вычислительная гидродинамика// М.: Мир, 1980, 661 стр. Рянэ/син С. В., Филатов Н. Н., Михайлов В. Д. и др. Термодинамические процессы в глубоких озёрах // Л.: Наука, 1981, стр. 45- 126.

43. Скорохватов Н. А., Андреев Е. Г., Хундлсуа Г. Г. Экспериментальное исследование процессов теплообмена между морем и атмосферой // Вестник МГУ, сер.З,

44. Физика. Астрономия, т. 19, N1, 1978.49. Талипова Т. Г.

45. Упругие свойства морских поверхностно активных плёнок и их влияние на ветровое волнение // Горький, Диссертация на соискание учёной степени кандидата физ.-мат. наук, 1989, стр. 146- 162.

46. Трубников В. С, Кропоткин М. А.

47. Эффект масляного загрязнения на испарение с водной поверхности //Морской гидрофизический журнал, N6, 1985, стр. 41 44.

48. Трухин В. И., Показеев К. В., Куницыи В. Е., Шрейдер А. А. Основы экологической геофизики // Москва, Физический фак тет МГУ, 2000,288 стр.52. Филатов Н. Н.

49. Гидродинамика озёр // Санкт Петербург, "Наука", 1991, 196 стр.

50. Assaf G., Geraed D„ Gordon A. L.

51. Some mechanisms of oceanic mixing revealed in aerial photographs //J. Geoph. Res., vol. 76, №27, 1971, p. 6550 6572.

52. Barger W. R., Garrett W. D., Mollo Christensen E. L., Ruggles K. W.

53. The surface activity of petroleum and its influence on the spreading and weathering of oil films at sea // J. De Rech. Atmosph., VIII, №3 -4, 1974.57. Leibovich S., Ulrich D.

54. A note of the growth of small scale Langmuir circulations // J. Geoph. Res., vol. 77, №9, 1972, p. 1683 1688.58. Leibovich S.

55. On the evolution of the system of driff currents and Langmuir circulations in the ocean. Part 1. Theory and averaged currents // J. Fluid Mech., vol. 79, №4, 1977, p. 715 733.

56. Liss P. S., Martinelli F. N.

57. The effect of oil films on the transfer of oxygen and water vapour across an air-water interface // Thalassia Tugoslavica, v. 14, N1 2, 1978.

58. Mai linger W. D., Mickelson T. P.

59. Experiments with monomolecular films on the surface of the open sea // J. Phys. Oceanogr., vol. 3, № 3, 1973.61. McLeishW.

60. On the mechanism of wind slick deneration // Deep - Sea Res., vol. 15, №4, 1968.62. Stewart R., Schmitt R.

61. Wave interaction and Langmuir circulations // J. Geoph. Res., vol. 75, №4, 1970.1. Welander P.

62. On the sea surface by action of a surface film // Tellus., vol. 15, №1, 1963, p. 67-71. Woodcoock A. H.

63. A theory of surface motion deduced from the wind induced motionof Physalia // J. Mar. Res., vol. 5, № 3, 1944, p. 196 205.1. WuF.

64. Evaporation retardation by monolayers: another mechanism // Science, vol. 174, №4006, 1971.