ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 3, с. 356-370
УДК 551.511
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОЙ (НИСХОДЯЩЕЙ) КОНВЕКЦИИ ВБЛИЗИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ
ХОЛОДНЫХ ПЯТЕН
© 2009 г. Н. П. Романов
Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 г. Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: vernik@obninsk.ru Поступила в редакцию 05.07.2007 г., после доработки 21.02.2008 г.
Для объяснения условий выпадения росы и загрязняющих примесей в штилевых условиях радиационного выхолаживания земной поверхности обращается внимание на роль неоднородностей температуры поверхности и возникающих вблизи их конвективных потоков воздуха. Для понимания механизма образования конвекции вблизи холодных пятен рассматривается схема цилиндров с адиабатическими стенками и холодным дном. Результаты этого рассмотрения согласуются с полученной в предыдущих расчетных и экспериментальных работах зависимостью числа Нуссельта от числа Релея в степени 1/5 с коэффициентом пропорциональности у Экспериментальное исследование количественных характеристик проводилось путем измерения вертикальных профилей температуры и наблюдения движения трассера вблизи холодных водных поверхностей круглой формы размерами около 30 см и 10 м. В результате получено, что для изолированных и плоскостных пятен разность температуры между поверхностью пятна и окружающей средой спадает по экспоненциальному закону, а движения воздуха от центра пятен к его краям имеют ламинарный характер. Для чисел Релея, построенных на использовании в качестве характерного размера отношения площади пятна к половине его периметра, средние значения коэффициента у = 1.1 для изолированного пятна с Ra = 106 и у = 0.7-0.8 для расположенных на уровне окружающей поверхности пятен с Ra = 106-5 X 1010. Для заглубленных пятен наблюдается значительное замедление процессов теплообмена и изменение характера профилей температуры, зависящее от материала окружающих стенок. В приложении рассматривается процесс установления равновесной температуры изолированного пятна, обусловленный радиационным выхолаживанием и конвективным притоком тепла и влаги. Предлагается способ предотвращения радиационных туманов за счет осушения воздуха при конвекции вблизи окружающих холодных поверхностей, а также предлагаются принципы интенсификации сбора конденсационной влаги.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что перенос тепла и влаги в дневных условиях от нагретой поверхности земли в основном определяется механизмом конвекции, переходящей в турбулентность при увеличении разности температур. Причиной формирования конвекции является неустойчивость слоя атмосферы. Она может возникать при однородных в горизонтальном направлении условиях после достижения некоторой критической разности температур [1]. Другая ситуация возникает после захода Солнца. Когда начинается выхолаживание почвы, приземный слой воздуха интенсивно охлаждается снизу и приобретает сильную гидростатическую устойчивость. В этих условиях турбулентный перенос тепла и влаги ослабевает, а в штилевых условиях вообще исчезает механизм генерации турбулентности. Вопрос о механизмах обмена теплом и влагой в условиях сильной устойчивости является одним из важнейших при рассмотрении процессов образования радиационных туманов. Основным механизмом охлаждения воздуха обычно считается инфракрас-
ное излучение [2, 3, 4]. Однако при полном отсутствии нисходящих движений воздуха, переносящих к поверхности не только тепло, но и влагу, трудно объяснить выпадение росы и связанное с этим осушение воздуха [5], задерживающее появление тумана. Поэтому требуется поиск других механизмов тепло- и влагообмена. Понимание процессов переноса влаги из воздуха на землю в ночных условиях важно также при решении проблемы сбора влаги путем сбора росы в засушливых районах [6]. Экспериментальное исследование метеопараметров в пограничном слое атмосферы показывает, что с ростом устойчивости в этом слое движения воздуха не прекращаются [7]. Но при этом меняется их характер, который характеризуется перемежаемостью. Для описания процессов переноса при очень устойчивой стратификации в работе [8] предлагается отказаться от гипотезы совпадения законов вертикальной передачи тепла и импульса при очень устойчивой стратификации без объяснения физических процессов. Авторы одной из самых последних работ [9] отмечают нерешенную
до сих пор проблему тепло- и массообмена в штилевых ночных условиях и считают перемежаемость основным механизмом для этих процессов. Физическими механизмами, которые ведут к перемежаемости, в работе [10] считаются: неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, гравитационные волны и плотностные потоки. Явления, состоящие в неоднородном нагреве и распределении влаги, ведущие к появлению перемежаемости при устойчивых штилевых условиях, обсуждаются также в работах [11, 12].
В докладе [13] мы обращаем внимание на влияние холодных пятен на формирование в приземном устойчивом слое циркуляционных течений, которые и могут играть основную роль в процессах переноса тепла и влаги в штилевых условиях. Более холодные области земной поверхности при радиационном выхолаживании могут возникать за счет неоднородностей радиационных и теплопро-водящих свойств земной поверхности. Примером пятен малых размеров с более низкой по сравнению с окружающей средой температурой могут служить листья деревьев или травы, для которых поступление тепла от почвы ничтожно мало, и поэтому их температура должна быть намного ниже температуры поверхности земли. В качестве холодных областей средних размеров могут служить площади, окруженные городской застройкой или зарослями кустарников, поверхности водоемов в окружении более теплых берегов. В океане наблюдаются области пониженной температуры размерами в десятки километров [14]. Большими холодными "пятнами" являются отдельные льдины или ледяные поля. В настоящее время в литературе широко исследуется влияние тепловых пятен на возникновение циркуляционных движений в связи с проблемой влияния повышенной температуры над городами и другими промышленными объектами [15, 16]. Однако нам известны только отдельные работы о влиянии холодных пятен на перенос тепла и влаги в атмосфере. Так в работе [17] проводилось исследование влияния холодной поверхности реки Лены шириной около 10 км, которое показало ее существенное влияние на процессы переноса тепла и влаги вплоть до высот порядка 1 км. Обращается внимание на влияние возникающей в этом случае локальной циркуляции на дисбаланс потоков энергии в приземном слое атмосферы.
Наиболее полное изложение полученных до середины 80-х годов результатов исследования течений, возникающих вблизи горизонтальных пластин, имеется в монографии [18], которая в предисловии редактора перевода названа "мини-энциклопедией". Из совокупности обозреваемых в ней работ [19-25] следует, что к настоящему времени экспериментальным и расчетным путем доказано существование нисходящих движений над обращенными вверх холодными поверхностями пластин, при
которых воздух опускается сверху и растекается вдоль поверхности от центра к краям. При этом для всех исследованных случаев движения воздуха остаются ламинарными. Для обращенных вверх теплых поверхностей поток воздуха направляется от краев к центру, но в поднимающемся от центра пластины факеле движения турбулизируются при превышении критического значения числа Релея. Для обращенных вниз поверхностей картина движений меняется на обратную, т.е. поток воздуха направляется снизу к теплой поверхности и наоборот. Убедительная картина траекторий потоков воздуха вблизи обращенной вниз поверхности перегретой на 55°С пластины демонстрируется в работе [22] на фотографиях с использованием аэрозольных трассеров.
Для количественного описания процессов переноса тепла и примесей используются числа Нуссель-
(йТ1йг), • а (йС/йг)а • а та т =-—-и Шервуда Ьп =-—- со-
ДТ„
А С,
ответственно, которые характеризуют отношение градиентов температуры йТ/йг и концентрации йС/йг вблизи поверхности (индекс я) к разностям этих величин в окружающей среде (индекс и у поверхности ДТ5 = Т^ - Т5 и АС 5 = С^ - С, деленным на характерный размер а. В вопросе выбора характерных размеров нет пока единого мнения, что затрудняет сопоставление результатов измерений для различных геометрий пятна. В работе [25] обосновывается выбор в качестве характерного размера а отношения площади пятна 5 к его периметру Р. Поддерживая идею этого выбора, мы предлагаем ввести в качестве параметра а отноше-
2 5
ние площади пятна к половине периметра а = —,
что для кругового пятна радиусом Я приводит к естественному соотношению а = Я, используемому, в частности, в основополагающих теоретических работах [20, 21]. В дальнейшем все изложенные результаты, если это не оговаривается отдельно, мы будем относить к этому параметру. При этом будем различать изолированное или приподнятое пятно, горизонтальным продолжением которого служит окружающая (воздушная) среда. Пятно, горизонтальным продолжением которого служит поверхность с малой теплопроводностью и с температурой окружающего воздуха, будем называть плоским пятном или пятном с адиабатическим продолжением. А пятно, окружающая поверхность которого находится выше его поверхности, будем называть заглубленным пятном.
В качестве безразмерных чисел, характеризую-
V
щих среду, используются числа Прандтля Рг = - и
Шмидта 8е = ^ равные отношениям кинематической вязкости V к коэффициентам температуропроводности % и диффузии Б соответственно. Ис-
аga АТ5
пользуется также число Грасгоффа иг =--—,
V
где а - коэффициент объемного расширения и g -ускорение свободного падения, и числа Релея для задач переноса тепла Иа = вг ■ Рг и для задач переноса массы Иаш = вг ■ 8е. По данным большинства расчетных работ, которые представляют собой численное решение системы дифференциальных уравнений второго или третьего порядка и сводка которых представлена в [25], следует, что наиболее подходящей для описания процессов передачи тепла и газообразных примесей в случае изолированного пятна и ламинарного режима течений является степенная зависимость чисел Нуссель
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.