МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ СМЕРЧЕЙ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Член-корреспондент РАН А. Ю. ВАРАКСИН
Одними из самых распространённых проявлений стихии являются ветры различной силы и вихревые атмосферные образования, характеризующиеся широким спектром пространственно-временных масштабов. Несмотря на многочисленные попытки учёных из разных стран предложить различные способы воздействия на атмосферные вихри, к настоящему времени эффективные методы борьбы со стихией (ураганы, смерчи и т.п.) отсутствуют. Воздушные смерчи в своём классическом понимании являются
Рис. 1.
Последствия смерча, прошедшего 3 июня 2009 года в г. Краснозаводске (Сергиево-Посадский район Московской обл.): а - хорошо видны существенные повреждения торговых павильонов; б - подъём и перенос автомобилей является излюбленным "занятием" и наших российских смерчей.
маловероятными событиями в среднем по территории нашей страны, однако их последствия могут быть весьма ощутимыми (рис. 1). К сожалению, этого нельзя сказать об ураганах, также являющихся вихревыми атмосферными образованиями. Существует целый ряд регионов (например, ДФО и ЮФО), в которых циклоническая активность крайне высока. Надо иметь в виду, что любые температурные аномалии приводят к резкому росту вероятности возникновения атмосферных вихрей различных масштабов и интенсивности. Помимо вихревых структур даже в Московском регионе 2-3 раза в год наблюдаются ветры штормовой, а в порывах - и ураганной силы, ведущие к негативным последствиям. Фактического материала здесь можно привести много. Например, в октябре 2010 г. в Московской области из-за сильного ветра, приведшего к падению деревьев и обрыву линий электропередачи,
24
© А.Ю. Вараксин
*
Рис. 2.
Фотография (негатив) модельного лабораторного вихря (видимая высота вихря - 1.5 м, время жизни - 40 с).
временно вышли из строя 300 (!) трансформаторных подстанций.
Воздействие экстремальных ветровых нагрузок, зачастую имеющих вихревую природу, и собственно атмосферных вихрей на различные объекты использования атомной энергии является одним из примеров, когда чрезвычайная ситуация природного характера может привести к техногенной катастрофе планетарного масштаба. Таким образом, обеспечение защиты стратегических объектов, определяющих обороноспособность (аэродромы и т.п.) и энергетическую безопасность страны (АЭС, ТЭС, трансформаторные подстанции и т.п.), а также объектов социальной инфраструктуры (детские дошкольные учреждения, школы, больницы и т.п.) от ветровых нагрузок и атмосферных вихрей различной интенсивности, представляется важной и актуальной задачей.
В настоящей работе показана принципиальная возможность физического моделирования нестационарных воздушных вихрей в лабораторных условиях, а также изучения вопросов управления их поведением.
Моделирование смерчей
Ограниченные стенками вихревые течения создают посредством тангенциального соплового подвода среды;
использования механических закручивающих устройств (направляющих закручивающих лопаток, винтов, шнеков, внутреннего спирального оребрения и т.п.)1; интенсивного вращения корпусных элементов каналов (вращающихся труб). Получаемые такими способами стационарные вихревые потоки удобны для детального экспериментального описания, однако их характеристики могут значительно отличаться от параметров природных (свободных нестационарных) вихревых структур.
Лабораторное исследование свободных (неограниченных стенками) концентрированных (завихрённость локализована в пространстве) нестационарных вихрей сложно вследствие целого ряда причин - спонтанности образования, пространственно-временной нестабильности, практической невозможности управления характеристиками и т.д. Эти трудности стали причиной того, что до сих пор отсутствуют экспериментальные работы, в которых получены результаты по устойчивости и динамике свободных концентрированных вихрей, приемлемые для верификации математических моделей.
Простая экспериментальная установка, параметры тепловых режимов, а также последовательность проведения экспериментов подробно описаны в ра-ботах2. Установка позволяет осуществлять контролируемый нагрев газовой горелкой (максимальная тепловая мощность - несколько кВт) подстилающей поверхности алюминиевого листа (диаметр - 1100 мм, толщина - 1.5 мм). g
__С\1
CD
1 Алексеенко C.B., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Вве- i дение в теорию концентрированных вихрей; ° Москва-Ижевск: Институт компьютерных ис- S следований, 2005; Haan F.L., Sarkar P.P., Gal- и lus W.A. Design, construction and performance of a ц large tornado simulator for wind engineering appli- ® cations // Engineering Structures. 2008. V. 30. g
2 Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., ! Таекин С.И. О возможности физического моде- § лирования воздушных смерчей в лабораторных m условиях // Теплофизика высоких температур. Л 2008. Т. 46. № 6; Varaksin A.Y., Romash M.E., | Kopeitsev V.N., Gorbachev M.A. Experimental stu- « dy of wall-free non-stationary vortices generation due to air unstable stratification // Int. J. Heat Mass Transfer. 2012. V. 55.
Рис. 3.
Схематичное изображение нестационарного атмосферного вихря и сеточного заграждения. и0 - поступательная скорость перемещения вихря.
Нагрев листа снизу приводит к генерации нестационарных вихревых структур вследствие создания над ним неустойчивой стратификации воздуха3.
Эксперименты проводились в различных тепловых режимах, характеризующихся своим временем нагрева (т. = 60-180 с), временем охлаждения (тс = = 600-1200 с) и величиной максимальной температуры в центре подстилающей поверхности (Тстах =420-610 К). Для визуализации генерируемых вихревых структур использовались частицы-ю трассеры (частицы магнезии микромет-| ровых размеров), которые наносились 1 тонким слоем на подстилающую по-| верхность перед проведением экспе-« риментов.
| На рис. 2 приведена типичная фото-| графия относительно крупного и долго-| живущего свободного нестационарного | вихря. Покадровый анализ видеоза-§ писей в различных тепловых режимах
к-
® 3 Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., « Таекин С.И. Параметры неустойчивой стратификации воздуха, приводящей к генерации свободных вихрей // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 2.
позволил получить и систематизировать важную информацию о различных параметрах процесса генерации вихрей (место образования, необходимый уровень температур, частота возникновения и др.) и их характеристиках (размеры, скорость перемещения, направление вращения и т.п.).
Управление поведением смерчей
В работах (см. сн. 2, 3) впервые была сформулирована и решена задача стабильной генерации свободных (не ограниченных стенками), концентрированных (завихрённость локализована в пространстве), тепловых (природа образования - неустойчивая стратификация), воздушных вихрей в лабораторных условиях без использования механических закручивающих устройств. Создаваемые вихри были существенно нестационарными и близкими по своей структуре к атмосферным. Таким образом, появилась возможность формулирования новой задачи, имеющей большое прикладное значение: задачи устойчивости и управления нестационарными свободными вихрями. Был предложен метод4 воздействия на вихревые атмосферные образования, заключающийся в расположении на пути их распространения препятствий в виде вертикальных сеток.
Новый метод защиты. Несколько слов о базовой идее этого метода. На рис. 3 показан нестационарный атмосферный вихрь и заграждение, в качестве которого выступает вертикальная сетка. Течение в вихре характеризуется в каждой точке пространства своими значениями составляющих скорости: вертикальной иг ра-
4 Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Горбачев М.А. Метод воздействия на свободные нестационарные воздушные вихри // Теплофизика высоких температур. 2012. Т. 50. № 4; Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeitsev V.N. Effect of net structures on wall-free non-stationary air heat vortices // Int. J. Heat Mass Transfer. 2013. V. 64.
Вторичное турбулентное течение
Локальное турбулентное течение атмосферного вихря
Вторичное турбулентное
Локальное турбулентное течение
атмосферного вихря
Рис. 4.
Схема генерации вторичных турбулентных потоков при взаимодействии турбулентного течения атмосферного вихря с произвольно ориентированным в пространстве элементом сеточного заграждения. ЕТТ - элементарный "трансформер" турбулентности.
диальной Urи азимутальной U{. Отметим, что распределения этих скоростей в пространстве носят сильно неоднородный и нестационарный характер. Сеточное препятствие можно представить состоящим из вертикальных и горизонтальных цилиндрических элементов, называемых здесь элементарными "трансформерами" турбулентности (ЭТТ). Смысл такого названия будет понятен позже.
Из гидродинамики известно, что генерация развитых турбулентных следов за обтекаемым телом (сфера, цилиндр) будет иметь место при выполнении следующего условия
Red = >400, (1)
o
где Red - число Рейнольдса, U - скорость относительного обтекания, d -характерный размер обтекаемого тела; o - коэффициент кинематической вязкости среды.
Каждый горизонтальный цилиндрический элемент сеточной конструкции в месте своего расположения будет "взаимодействовать" с вертикальной Uz и ра-
диальной иг составляющими локальной скорости атмосферного вихря, осуществляя (при соблюдении условия (1)) генерацию вторичных мелкомасштабных турбулентных потоков в соответствующих направлениях (рис. 3, 4). В свою очередь, вертикальные цилиндрические элементы сеточного заграждения будут "взаимодействовать" с радиальной и и азимутальной и{ составляющими локальной скорости вихревой структуры, вызывая генерацию вторичных мелкомасштабных турбулентных потоков в указанных направлениях.
Таким образом, в процессе взаимодействия атмосферного вихревого образования с сеточным препятствием происходит преобразование крупномасштабной турбулентной энергии вихря в энергию вторичных мелкомасштабных течений. Отметим, что вторичные (неоднородные и нестационарные) потоки имеют составляющую, направленную навстречу приближающемуся атмосферному вихрю. Предполагается, что такая трансф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.