МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 6 • 2013
УДК 532.5.011,532.517.3
© 2013 г. В. Е. ПРОХОРОВ, Ю. Д. ЧАШЕЧКИН
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И АКУСТИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ
СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ТЕЧЕНИЯ ЗА ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛАСТИНОЙ
Методами высокоразрешающей теневой визуализации и высокочастотной гидролокации выделены плотностной след и тонкая полосчатая структура в окрестности вертикальной пластины, движущейся в стратифицированной по соли воде. Длина зондирующей звуковой волны
выбрана примерно равной универсальному микромасштабу 5 N (у, N — кинематическая
вязкость и частота плавучести). В спектрах вертикальных колебаний акустического контраста выделены характерные частоты ш, по которым рассчитаны локальные микромасштабы Стокса
5щ в области плотностного следа. Масштабы, определенные по данным независимых
оптических и акустических измерений, согласуются.
Ключевые слова: стратификация, пластина, след, микроструктура, оболочки, оптическая визуализация, акустика, зондирование, спектры, характерные частоты, масштабы.
Развитие оптических и акустических методов, расширение областей их применения показывает, что эффекты стратификации, обусловленные неоднородностью распределений температуры, концентрации растворенного или взвешенного вещества в поле массовых сил, оказывают существенное влияние на динамику и структуру течений в природных условиях и в технологических аппаратах. Необходимость изучения стратифицированных течений и внутренних волн была признана еще в начале XX в., после публикации научных результатов арктического дрейфа Ф. Нансена и последовавших лабораторных исследований корабельных внутренних волн В. Экмана [1]. Однако систематические исследования эффектов стратификации начались только во второй половине прошлого века. В настоящее время исследования динамики и структуры течений непрерывно стратифицированной жидкости, механизмов и критических условий перестройки режимов вошли в число наиболее актуальных задач теоретической и прикладной гидродинамики.
В обширном перечне эффектов, обусловленных действием стратификации, важное место занимают внутренние волны и вихри, возникающие при обтекании потоком двумерных и трехмерных препятствий [2]. В естественных условиях с внутренними волнами, размах которых может достигать сотни метров [3], связаны такие опасные явления, как интенсивные "подводные штормы" и "турбулентность ясного неба", приводившая к гибели самолетов и планеров [4].
Наблюдения внутренних волн в природных условиях обычно проводятся при благоприятных метеорологических условиях, что не позволяет произвести расчет волн во всем диапазоне изменчивости состояний атмосферы и океана. По этим причинам в изучении этого скрытого в толще среды явления широко применяются методы лабораторного моделирования. Для возбуждения внутренних волн используются различные двумерные и трехмерные препятствия, которые буксируются в бассейнах, заполненных стратифицированной средой, обычно водным раствором поваренной соли [5]. При этом используются тела простой формы — горизонтальный цилиндр [6, 7] или
тонкая пластина, которые устанавливаются для буксировки горизонтально [8] или вертикально [9].
Для боковых наблюдений картины течения обычно применяются теневые приборы как фабричного изготовления, обладающие высоким пространственным разрешением [6—8], так и простые инструменты самостоятельной разработки с невысокими показателями — чувствительностью и пространственным разрешением [9]. В ряде опытов при изучении структуры течений в лабораторных условиях наряду с оптическими приборами использовались и акустические инструменты, моделирующие эхолокацию, широко используемую в морских и атмосферных исследованиях [10, 11]. Совмещенная методика моделирования, включающая оптические и акустические измерения, позволяет более полно изучать динамику и структуру стратифицированных течений.
В последние годы в исследованиях стратифицированных течений стали активно развиваться численные методы, основанные на использовании фундаментальной системы [12], уравнения которой были впервые приведены в основополагающем курсе по механике жидкостей [13], а также теоретических моделей турбулентности [14]. Численные коды воспроизводят крупномасштабные особенности поля внутренних волн, но не разрешают тонкую структуру спутных течений, которая, как следует из рассмотрения уравнений, всегда сопровождает крупномасштабные компоненты и влияет на перенос вещества и завихренность [15].
Эксперименты, проведенные с использованием высокоразрешающих теневых приборов, также показали, что наряду с внутренними волнами в течениях непрерывно стратифицированной жидкости наблюдаются упорядоченные семейства высокоградиентных прослоек — тонкая структура среды, особенности которой определяют режим течения [5, 7, 8].
В опытах тонкие прослойки в течениях за препятствиями наблюдались как внутри плотностного следа, так и вне его в поле присоединенных внутренних волн. Влияние тонкой структуры спутных течений на рассеяние звука, которое может быть как зеркальным, так и диффузным [11], ранее систематически не изучалось. В данной работе двумя независимыми неконтактными методами — оптической теневой визуализацией и акустическим зондированием — впервые исследована тонкая структура стратифицированного течения за тонкой вертикальной пластиной, буксируемой с постоянной скоростью.
1. Параметры и масштабы течения. Невозмущенное распределение плотности жидкости р0 (I) в бассейне, заданное профилем солености (г), характеризуется масштабом Л = (й1п р0/йг)-1, частотой N = ^/g7л и периодом Ть = 2п/Ж плавучести. Здесь g — ускорение свободного падения, ось г направлена вертикально вверх. Диссипативные свойства среды определяются вязкостью V и коэффициентом температуропроводности кз.
Течение характеризуется большим числом собственных масштабов: скорости тела, времени Ть, а также семейством масштабов длины (плавучести Л, высоты пластины Нр, присоединенной внутренней волны X, = ирТь, скоростного и диффузионного микромасштабов, аналогичных масштабам Стокса = N и 8 N = , Прандтля
= ч/ир и Пекле 5^ = кз/ир [15]. Отношения масштабов определяют безразмерные параметры течения, в том числе традиционные числа Рейнольдса Яе = кр/8^ = ирНр/V и Фруда Бг = X,/2пкр = ир/ЖНр.
Существенные различия в значениях характерных масштабов длины Нр, X, и микромасштабов (5Ж, , 8 ^, 8 ) указывают на сложность внутренней структуры течения,
Фиг. 1. Схема экспериментального стенда: 1 — бассейн, 2 — иллюминаторы, 3 — каретка, 4 — блок управления, 5 — блок контактных датчиков, 6 — чувствительные элементы, 7 — гидролокатор, 8 — антенна, 9 — устройство подачи трассеров, 10 — теневой прибор, 11 — фотокамера, 12 — интерфейс сбора данных, 13 — компьютер, 14 и 15 — заливочные баки
связанной с индивидуальными особенностями среды, определяющими значения кинетических коэффициентов V, к5.
Техника эксперимента должна обеспечивать регистрацию крупномасштабных компонент течения с размерами Нр, и разрешение тонкоструктурных компонент с масштабами , 8р, , . Данным требованиям удовлетворяют классические теневые приборы типа ИАБ-451, ИАБ-458, обладающие большим полем зрения (23 см) и высоким пространственным разрешением — не хуже 0.1 мм.
2. Методика экспериментов. В данных опытах для регистрации пространственной и временной изменчивости тонкой структуры и крупномасштабных компонент течения совместно использовались контактные датчики, трассеры, оптическая визуализация и высокочастотная гидролокация.
Схема экспериментального стенда приведена на фиг. 1. Опыты выполнены в бассейне 1 размерами 240 х 40 х 60 см3. Наблюдения течений проводились теневым прибором ИАБ-458 через вставленные в боковые стенки оптические иллюминаторы 2 по методу "щель—нить" [6—8]. Вследствие сильной дисперсии света в воде в плоскости наблюдения теневого прибора формировались цветные изображения. Далее они преобразовывались в полутоновые с помощью стандартных программ.
Пластина высотой Нр = 2.5 см и толщиной 2.5 мм, которая располагалась поперек лабораторного бассейна и перекрывала большую часть его ширины (длина пластины 39.5 см), буксировалась с помощью каретки 3. Скорость движения пластины задавалась блоком управления 4.
Контроль распределения плотности и частоты плавучести производился с помощью блока контактных датчиков 5 с чувствительными элементами 6.
Акустическое зондирование выполнялось гидролокатором 7 с дисковой антенной 8 диаметром а = 2.5 см и рабочей частотой 1 МГц, что соответствует длине звуковой волны А = 0.15 см. При данных параметрах угловая полуширина звукового пучка составила ф = X / а = 3.5°. Длительность звуковой посылки равнялась 1а = 50 мкс, период повторения — 0.16 с, мощность звукового импульса — 0.3 Вт. Расстояние от плоскости антенны гидролокатора до оси следа — Н = 12.5 см; на данном горизонте диаметр звукового пучка равен 5 см. Ось пучка направлена вертикально вниз и проходит через геометрический центр бассейна.
Над бассейном установлено устройство подачи трассеров 9 — погружающихся кристаллов поваренной соли, образующих вертикальную плотностную метку при свободном падении в невозмущенной жидкости. Плотностная метка возбуждала короткие внутренние волны — собственные колебания среды с локальной частотой плавучести, которые фиксировались датчиками 4.
По деформации формы плотностной метки, наблюдаемой в теневой прибор 10 и регистрируемой фотокамерой 11, рассчитывался профиль горизонтальной компоненты скорости течения.
Сигналы с контактных датчиков и оптические изображения регистрировались через интерфейс 12 компьютером 13, который одновременно выполнял управление экспериментом.
Поступающие сигналы обратного рассеяния звука формировались в матрицу, в которой номера строк и столбцов пропорциональны, соответственно, времени наблюдения и глубине, с которой поступает эхосигнал. В результате обработки матрицы пакетом прикладных программ получались эхограммы и профили уровня рассеяния.
Лабораторный бассейн заполнялся непрерывно стратифицированной жидкостью методом последовательного вытеснения снизу с помощью баков 14 и 15. В данных опытах создавал
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.