УДК 551.468
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСШИРЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО СЛЕДА НАДВОДНОГО СУДНА
© 2010 г. С. А. Ермаков, И. А. Капустин
Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: stas.ermakov@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 10.06.2009 г., после доработки 03.08.2009 г.
В ходе натурного эксперимента исследована временная динамика турбулентной области, возбуждаемой надводным движущимся судном. Получены зависимости геометрических размеров турбулентной области от времени и показано, что зависимость ширины турбулентного следа от времени на начальном этапе близка к степенной функции с показателем 0.4 для разных экспериментов, а глубина следа при этом остается практически постоянной. В рамках полуэмпирической теории турбулентности предложена качественная модель, описывающая процесс начального расширения корабельного следа как диффузию одномерного слоя турбулизованной жидкости от импульсного источника.
Ключевые слова: турбулентная диффузия, след надводного судна, полуэмпирическая теория турбулентности.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема турбулентных следов за судами объединяет широкий круг задач, связанных с исследованием динамики областей интенсивной турбулентности [1—3], динамики пузырьков газа в жидкости [4] и распределения поверхностно-активных веществ (ПАВ) в поле неоднородных течений и внутренних волн (см., например, [5—11 ]). Важное место изучение турбулентных следов занимает и в проблеме дистанционного зондирования морской поверхности при анализе механизмов образования неодно-родностей поверхностного волнения [12]. Известно, что воздействие турбулентности в следах на морскую поверхность приводит к подавлению коротких ветровых волн и образованию полос «выглаживания». Последние наблюдаются на радиолокационных изображениях морской поверхности [13, 14] наряду с областями гашения ветровых волн (сликами) иной природы, вызванными, например, пленками поверхностно-активных веществ (ПАВ), неоднородными течениями и внутренними волнами, а также совместными действием нескольких из упомянутых факторов [5—11]. Для идентификации таких не-однородностей на спутниковых изображениях необходимо знание особенностей сликов, связанных с различными динамическими процессами в океане и атмосфере. Особенности радиолокационного изображения корабельного следа определяются, в частности, законом его расширения и сложной внутренней структурой, а также наличием сликовых полос вдоль границ следа. Механизм формирования полос связан с выносом ПАВ из толщи морской во-
ды течениями и пузырьками и удержанием пленок ПАВ в поле поверхностных течений. Отметим, что структура течений в следе судна и механизм образования сликовых полос до сих пор остаются малоизученными. В работе [14], посвященной экспериментальному исследованию сликовых полос в корабельных следах, были получены степенные зависимости расстояния между полосами на достаточно больших расстояниях от судна. На небольших же расстояниях, где сликовые полосы в следе еще отсутствуют либо только начали формироваться, использование полученных зависимостей является необоснованным. Что касается теоретического анализа динамики следа, то здесь с использованием полуэмпирических моделей или прямого численного моделирования удается рассчитывать характеристики следа на малых (порядка размера судна) масштабах [15]; данные расчеты проводятся обычно для изучения поля обтекания и оценки коэффициентов сопротивления судов (см., например, [16]) и не представляют большого интереса для задач дистанционного зондирования следов на морской поверхности.
В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований временной динамики геометрических размеров турбулентного следа за надводным судном. Проведен анализ полученных зависимостей ширины и глубины следа от времени, дано сопоставление с результатами ранее выполненных наблюдений. Предложена качественная модель, позволяющая рассматривать начальную стадию расширения корабельного следа как диффузию одномерного слоя турбулентности от импульсного источника турбулентной энергии.
Акустическое рассеяние (дБ)
30
12
805 589 527 488 449 408 370 331
Номер измерения
292 259
213
174
135
Рис. 1. Временная эволюция турбулентного следа по обратному акустическому рассеянию. По горизонтали отложены номера отсчетов ADCP. Зоны с высоким уровнем обратного рассеяния отвечают области турбулентного следа. Вертикальными линиями обозначены точки разворота лодки.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Натурные эксперименты по изучению временной динамики области интенсивной турбулентности проводились в прибрежной зоне Черного моря, в районе Голубой бухты (г. Геленджик) в 2006— 2008 гг Во время проведения экспериментов глубина залегания пикноклина составляла 13—15 м, а сами измерения проводились в бухте (глубина около 10 м), то есть в условиях квазиоднородного верхнего слоя. Исследовался турбулентный след за надводным пассажирским судном. Судно, снабженное двумя винтами, вращающимися в противоположных направлениях, имеет ширину около 6 м и длину 20 м.
Для изучения временной эволюции следа использовался акустический профилограф скорости течений — ADCP Workhorse Sentinel 600 кГц, позволяющий измерять вертикальные профили трех компонент скорости, а также интенсивности сигнала обратного рассеяния. Прибор устанавливался на борту моторной лодки. После прохождения судна лодка пересекала турбулентный след несколько раз, приблизительно по одному и тому же направлению, регистрация данных измерений ADCP велась на портативный компьютер. Многократное пересечение следа дает картину временной эволюции турбулентной области (рис. 1). Как следует из рис. 1, область турбулентного следа характеризуется высокими уровнями интенсивности обратного акустического рассеяния, что связано с большой концентрацией газовых пузырьков в следе [17]. Следует отметить, что пузырьки с размерами, много меньше длины звуковой волны, наиболее интенсивно рассеивают акустический сигнал, поэтому различие в уровнях сигнала обратного акустического рассеяния в следе и вне следа составляет значительную величину, в наших экспериментах — порядка 20 дБ.
Крупные пузырьки воздуха быстро всплывают, уходя из области наблюдения. Так, скорость всплытия пузырьков с диаметром d > 0.1 мм составляет величины порядка 30 см/с и более, то есть с глубины в 3— 4 м они уходят за несколько секунд. Скорости всплытия пузырьков существенно меньшего размера меньше или равны см/с, такие пузырьки увлекаются жидкостью и на протяжении времени эксперимента могут рассматриваться как маркеры турбулентной области [18]. Геометрия следа, наряду с профилями акустического рассеяния, определялась и по структуре поля скорости в следе. Поскольку быстро меняющиеся в пространстве течения интерпретируются прибором как ошибочные, количественные измерения скоростей в турбулизованной области провести не удается, но отсутствие данных о скоростях в пределах турбулентного следа позволяет восстановить его границу.
На рис. 2 изображены профили модуля горизонтальной скорости в поперечном сечении следа, на которые жирными линиями нанесены границы турбулентной области, определяемые по уровню максимального градиента интенсивности обратного рассеяния (1) и по отсутствию данных о скоростях (2); отмечено также положение сликовых полос, формирующихся вдоль границ следа. Координаты полос регистрировались с помощью GPS-навигато-ра каждый раз при пересечении следа. Приведенные данные показывают, что границы области следа, определенные различными способами, практически совпадают между собой, а сликовые полосы маркируют турбулентную область на поверхности, и по их положению можно оценить ширину следа. Как уже отмечалось выше, полосы формировались не сразу за судном, а на расстоянии нескольких его размеров.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСШИРЕНИЯ
567
Номер измерения
234 236 238 240 242 244 246 248 250 252 254 256 258 260 262
S 4
н
и
Ю £8
12
J0.5 м/с (масштаб скорости)
Рис. 2. Профили модуля горизонтальной скорости в поперечном сечении следа: 1 — граница области следа по акустическому рассеянию, 2 — граница по отсутствию данных о скоростях, ■ — положение сликовых полос.
В ходе обработки экспериментальных данных определялись средняя ширина и глубина следа, полученные в экспериментах зависимости этих величин от времени представлены на рис. 3. Как следует из приведенных на рис. 3 данных наших экспериментов, вначале, на временах менее 400 с, наблюдается степенной (с показателем, близким к 0.4) рост ширины следа. Изменение усредненной глубины следа при этом незначительно, что можно объяснить несколькими факторами. Во-первых, в приповерхностном слое всегда присутствует слабая стратификация, которая может ограничивать расширение турбулентности вниз. Во-вторых, за счет повышенной концентрации пузырьков воздуха жидкость в следе оказывается легче окружающей жидкости, что также затрудняет заглубление турбулентной области. В-третьих, заглублению турбулентности, возможно, препятствует поле обтекания корпуса судна, создающее дополнительный приток жидкости снизу в пределах следа.
В рамках данной работы не производились измерения параметров стратификации и концентрации пузырьков. Однако можно сравнить степени влияния первого и второго факторов. Отметим, что падение температуры на глубине 3—4 метра составляет 0.5—1°С, что соответствует перепаду плотности порядка 10-4. Из оценки по данным экспериментов [18] следует, что уменьшение плотности воды в следе из-за наличия пузырьков составляет порядка 10-6, что говорит о существенно большем влиянии температурной стратификации на расширение следа вниз. В рамках данной работы постоянство глубины следа на начальной стадии расширения принимается как эмпирический факт.
Таким образом, след с учетом слабого изменения его глубины на начальном этапе можно приближенно описывать как плоский слой турбулизованной жидкости.
Наряду с данными описанных экспериментов, нами был проведен анализ выполненных ранее на-
турных наблюдений следов надводных кораблей, выполнявшихся в [18]; в работе использовалась методика аналогичная описанной в данной р
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.