ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 3, с. 433-437
УДК 532.529
О ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВИХРЕВЫЕ АТМОСФЕРНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ
© 2010 г. А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступила в редакцию 07.10.2008 г.
С использованием видеосъемки исследована возможность воздействия на характеристики свободных концентрированных вихрей, генерируемых в лабораторных условиях над нагреваемой подстилающей поверхностью. Метод воздействия состоит в расположении препятствий в виде вертикальных сеток различной геометрии на пути распространения воздушного вихря.
ВВЕДЕНИЕ
Вихревое движение является одной из самых распространенных форм движения воздуха [1]. Существует много разновидностей вихревого движения атмосферного воздуха, различающихся размерами, характерными скоростями и временами жизни. Отметим лишь те из них, которые приводят к катастрофическим последствиям: смерчи (торнадо), вихревые бури и ураганы [2—6].
Несмотря на многочисленные попытки ученых из разных стран предложить различные способы воздействия на упомянутые выше вихревые атмосферные образования, к настоящему времени эффективные методы борьбы со стихией отсутствуют.
Численное моделирование столь сложных гидродинамических и теплофизических объектов, каковыми являются атмосферные вихри различных масштабов, крайне затруднено в силу неопределенности граничных и начальных условий. Что касается физического моделирования: вихревые течения (как правило, ограниченные стенками) формируются посредством тангенциального соплового подвода среды, использования механических закручивающих устройств, интенсивного вращения корпусных элементов каналов (например, [7—9]). Получаемые указанными способами вихревые потоки удобны для детального экспериментального изучения, однако их характеристики могут значительно отличаться от параметров реальных вихревых структур, наблюдаемых в земной атмосфере.
Вследствие этого экспериментальное изучение вопросов генерации, устойчивости и управления характеристиками свободных воздушных вихрей, близких по своей структуре к атмосферным вихревым образованиям, представляет собой актуальную задачу.
Настоящая работа является продолжением исследований авторов [10—12], в которых была продемонстрирована принципиальная возможность
генерации свободных воздушных вихрей в лабораторных условиях путем создания неустойчивой стратификации воздуха вследствие нагрева подстилающей поверхности. В работе [10] были исследованы тепловые режимы нагрева (охлаждения) подстилающей поверхности, при которых происходит образование вихрей, а также проведены оценки их интегральных параметров (геометрические размеры, время жизни, скорость перемещения и др.) с использованием видеосъемки. В [11] выявлены различные типы траекторий перемещения основания вихревых структур и проведен анализ параметров (температура подстилающей поверхности, область возникновения, время жизни, направление движения и др.), определяющих вид траектории основания вихрей. В работе [12] получены пространственно-временные поля температур воздуха и определен диапазон чисел Рэлея, при которых происходит образование свободных вихрей.
Цель данной работы — исследование возможности воздействия на вихревые образования, генерируемые над нагреваемой подстилающей поверхностью, посредством расположения препятствий в виде вертикальных сеток на пути их распространения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Схема экспериментальной установки, принцип ее работы, параметры тепловых режимов и последовательность проведения экспериментов подробно описаны в работе [10]. Экспериментальная установка позволяет осуществлять контролируемый нагрев газовой горелкой (максимальная тепловая мощность — 3.5 кВт) подстилающей поверхности алюминиевого листа (диаметр — 1100 мм, толщина — 1.5 мм). Нагрев листа снизу приводит к генерации нестационарных вихревых структур вследствие создания над ним неустойчивой стратификации воздуха.
434
ВАРАКСИН и др.
Рис. 1. Фотография свободного вихря. Режим № 6, время от момента зарождения — 36 с, размер изображения — 1000 х 750 мм.
Эксперименты проводились при различных тепловых режимах, характеризующихся своими временами нагрева (т h), временами охлаждения (т c) и величиной максимальной температуры в центре подстилающей поверхности (Tcmax). Все приводимые ниже результаты были получены при режиме № 6 [10], для которого т h = 180 с, т c = = 1200 с, Tc max = 610 К. Работа именно при этом тепловом режиме позволяла осуществлять генерацию самых крупных и долгоживущих вихрей.
Для визуализации образуемых вихревых структур использовались частицы-трассеры (частицы магнезии микрометровых размеров), которые наносились тонким слоем на подстилающую поверхность перед проведением экспериментов.
Видеосъемка генерируемых вихрей проводилась с использованием цифровой видеокамеры (модель Sanyo VCC-6572P, Япония). Фотосъемка следов вихревых структур осуществлялась фотокамерой (модель Casio Exilim EX-S500, Китай).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Фото- и видеосъемка позволили осуществить визуализацию (с использованием частиц-трассе-
Основные параметры сеток
№ п/п Высота сетки, мм Размер ячейки (по вертикали), мм
1 60 12
2 60 40
3 150 12
4 150 40
ров) возникающих над подстилающей поверхностью свободных (не ограниченных стенками) концентрированных (завихренность локализована в пространстве) вихревых структур, а также апробировать предлагаемый метод воздействия на их динамику.
Покадровый анализ видеозаписей генерируемых вихрей позволяет получать информацию о целом ряде их характеристик, среди которых: время жизни, высота, диаметр, скорость перемещения основания, длина траектории, направление вращения и др. На рис. 1 приведена типичная фотография относительно долгоживущего (время жизни около 40 с) свободного вихря, имеющего видимую (посредством частиц-трассеров) высоту около 1.5 м и диаметр 0.1 м.
В настоящей работе предлагается метод воздействия на вихревые образования типа воздушных смерчей (торнадо), сущность которого заключается в расположении на их пути препятствий в виде вертикальных сеток различной геометрии. Предполагается, что данный метод может являться достаточно эффективным средством управления характеристиками смерча, приводя к его разрушению (распаду), ослаблению и (или) изменению пути распространения. В силу простоты изготовления и дешевизны сеточные защитные сооружения, по-видимому, будут с экономической точки зрения более приемлемы в отличие от предлагаемых на сегодняшний день методов защиты.
Вероятно, существует несколько основных физических механизмов воздействия сетки на структуру вихря, среди которых: взаимодействие мелкомасштабной турбулентности, генерируемой за сеткой, с крупномасштабной турбулентной структурой вихря; нарушение симметрии вихря; вязкое трение вихря о сетку; акустическое влияние колебаний, идущих от сетки.
В таблице приведены основные параметры четырех стальных сеток, использованных в качестве препятствий при проведении экспериментов. Две из них показаны на рис. 2.
Высота сеток определялась из условия выполнения геометрического подобия
L l
= - = const.
н * (1)
Здесь Ь — высота реального воздушного смерча; Н — высота реального сеточного заграждения; I — высота лабораторного воздушного вихря (как правило, в несколько раз превосходит видимую посредством частиц магнезии высоту вихря); * — высота сетки, используемой в экспериментах.
Используя (1), для проведения оценки высоты сетки имеем следующее соотношение:
* = НА = Ь '
О ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ
435
Рис. 2. Фотография сеток, использовавшихся в экспериментах: 1 — невысокая сетка с мелкими ячейками (сетка № 1), 2 — невысокая сетка с крупными ячейками (сетка № 3).
Рис. 3. Фотография сетки, установленной на подстилающей поверхности (вид сбоку, размер изображения — 900 х 675 мм): 1 — невысокая сетка с мелкими ячейками (сетка № 1), 2 — подстилающая поверхность, 3 — газовая горелка (отключена).
Принимая Н = 20—50 м, I = 1.5 м, Ь = 500 м, в итоге получаем к = 0.06—0.15 м (см. таблицу).
Диаметр проволоки, из которой изготавливались используемые в качестве препятствий сетки, выбирался следующим образом. Известно, что генерация вихревых структур при обтекании сферы происходит при высоких значениях числа Рей-нольдса Яей (например, [13]), определяемого по относительной скорости как
Яе„ = ий,
(2)
где и — относительная скорость обтекания сферы потоком газа, й — диаметр сферы, V — коэффициент кинематической вязкости газа.
Используя (2), для проведения оценки диаметра проволоки сетки, при котором происходит генерация мелкомасштабной турбулентности при ее обтекании, имеем следующее соотношение:
й =
_Яей V
и
Принимая Яей = 400, V = 15 х 10-6 м2/с, и = = 10м/с, получаем й = 0.0006 м. В экспериментах использовались сетки с диаметром проволоки 0.6 мм.
В ходе подготовки к экспериментам были апробированы три варианта расположения вертикальных сеток на подстилающей поверхности: 1) по окружности определенного радиуса; 2) по некоторому сегменту определенного радиуса; 3) по прямой, проходящей через всю подстилающую поверхность на некотором расстоянии от ее центра.
Подавляющее большинство экспериментов было проведено с использованием третьего варианта расположения сеток. Сетки длиной 900 мм располагались на расстоянии 320 мм от центра
подстилающей поверхности. На рис. 3 показано расположение невысокой сетки с мелкими ячейками на подстилающей поверхности.
Взаимодействие вихрей с препятствиями (статистика). Все приводимые ниже выводы относятся к тепловому режиму № 6. При этом тепловом режиме происходила генерация наиболее крупных и долгоживущих вихрей [10, 12]. При изучении влияния вертикальных сеток на динамику свободных вихрей к статистической обработке принимались только те вихревые образования, которые удовлетворяли следующим требованиям:
1) их генерация осуществлялась в той половине листа, в которой была установлена сетка; 2) движение основания вихря осуществлялось в направлении сетки, 3) время жизни вихря и его видимая высота составляли не менее 3 с и 0.2 м соответственн
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.