научная статья по теме ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН, ИЗЛУЧАЕМЫХ ЗАГЛУБЛЕННОЙ ПЛАВУЧЕЙ СТРУЕЙ. ЧАСТЬ 1. МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ВНУТРЕННИХ ВОЛН Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН, ИЗЛУЧАЕМЫХ ЗАГЛУБЛЕННОЙ ПЛАВУЧЕЙ СТРУЕЙ. ЧАСТЬ 1. МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ВНУТРЕННИХ ВОЛН»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 833-845

УДК 551.466.8:532.5

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН, ИЗЛУЧАЕМЫХ ЗАГЛУБЛЕННОЙ ПЛАВУЧЕЙ СТРУЕЙ. ЧАСТЬ 1. МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ВНУТРЕННИХ ВОЛН

© 2009 г. В. Г. Бондур*, Ю. В. Гребеншк*, Е. В. Ежова**, В. И. Казаков**, Д. А. Сергеев**,

И. А. Соустова**, Ю. И. Троицкая**

*ГУ Научный центр аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос" Рособразования и РАН,

105064 Москва, Гороховский пер., 4 E-mail: ojfice@aerocosmos.info **Институт прикладной физики РАН, 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: yuliya@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 28.01.2009 г., после доработки 16.03.2009 г.

В большом опытовом бассейне с искусственной температурной стратификацией ИПФ РАН выполнено масштабное лабораторное моделирование нестационарной динамики плавучих турбулентных струй, формирующихся при истечении пресных вод из диффузоров подводных коллекторов. При взаимодействии всплывающих струй с пикноклином происходит интенсивная генерация внутренних волн. Анализ зависимости амплитуды волн от управляющего параметра, пропорционального скорости истечения жидкости из диффузора коллектора, показал, что она хорошо описывается функцией, характерной для присутствия в системе бифуркации Хопфа, которая имеет место при мягком режиме возбуждения автоколебаний глобально неустойчивой моды. Для проверки условий возбуждения глобально неустойчивой моды был проведен вспомогательный эксперимент в малом бассейне с солевой стратификацией в постановке, аналогичной эксперименту в большом бассейне. Методом Particle Image Velocimetry было измерено поле скорости во всплывающей струе и построены профили продольной скорости в нескольких сечениях. При приближении струи к пикноклину на краях струи формируется противотечение. Анализ устойчивости полученных профилей скорости течения методом нормальных мод показал, что для участков струи с противотоком выполняется условие абсолютной неустойчивости по критерию Бриггса для осесимметричных колебаний струи, что является признаком возбуждения глобально неустойчивой моды. Оценки частот колебаний глобально неустойчивой моды находятся в хорошем количественном согласии с измеренным спектром колебаний струи.

1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных источников загрязнения прибрежных акваторий являются глубинные сбросы загрязненных вод [1-3]. Они воздействуют на общий массообмен, гидродинамику и состояние экосистем этих акваторий. В последнее время большой интерес вызывает применение аэрокосмических методов для мониторинга зон подводных коллекторов [1-4]. Для оценки эффективности дистанционных методов необходимо выяснить физическую природу возмущений, которые вызываются подводными сбросовыми системами, а также оценить возможность их проявлений на поверхности моря и регистрации современными дистанционными методами. Физические механизмы, которые могут вызвать поверхностные проявления глубинных стоков, в настоящее время выяснены не до конца. Физические механизмы формирования и распространения турбулентных струй в стратифицированной водной среде прибрежных акваторий рассмотрены в работах [5, 6]. Помимо прямого выхода сбрасываемых вод на поверхность, в работах [1, 3] предлагаются

механизмы, обусловленные деформацией поверхности всплывающими вихрями или внутренними волнами, а в работе [4] поверхностные проявления подводных стоков объясняются сложным взаимодействием турбулентности, внутренних волн, приливных течений и донной топографии. В настоящей работе обсуждается механизм поверхностных проявлений подводных стоков, связанный с излучением внутренних волн.

Типичный диффузор современного сбросового устройства представляет собой коллектор с небольшими отверстиями, из которых сбрасываемые воды, представляющие собой после обработки на очистных сооружениях практически пресную воду, вытекают в соленую океанскую воду [7]. Из отверстий происходит истечение турбулентных струй с плотностью меньшей, чем плотность окружающей жидкости. При этом формируются всплывающие факелы сбрасываемых вод. В настоящей работе предлагается физический механизм излучения внутренних волн глубоководными стоками, исследуется структура поля внутренних волн, оцениваются параметры течений, которые эти внутренние

волны создают на поверхности воды, и контрасты в поле поверхностных волн, которые при этом могут возникать. Работа состоит из трех частей. Механизм генерации внутренних волн глубоководными стоками предлагается и исследуется в 1-й части, 2-я часть посвящена исследованию структуры внутренних волн, излучаемой этими стоками, а в 3-й части изучается вопрос о поверхностных проявлениях внутренних волн, излучаемых такими стоками.

В настоящей статье представлена первая часть работы, в которой гидродинамические процессы вблизи подводного коллектора изучаются на основе масштабного лабораторного моделирования. При этом основной целью является исследование возможности возбуждения внутренних волн глубоководными стоками и эффективности этого механизма. Следует отметить, что указания на возможность излучения внутренних волн плавучей струей содержатся в работе Тернера [8]. В этой работе, а также в работах [3, 5, 6], приведены экспериментальные данные, показывающие, что высота максимального подъема всплывающих струй может испытывать существенные осцилляции. Это, в свою очередь, может приводить к возбуждению внутренних волн. Сходное явление описано в работах Кар-ликова и Трушиной [9, 10], где показано, что при определенном выборе параметров течения фонтан, бьющий из-под поверхности воды, совершает колебания, которые сопровождаются возбуждением поверхностных волн. В работах [5, 6] рассмотрены результаты модельных расчетов всплывания турбулентных струй глубоководного стока в стратифицированной среде и их сравнения с данными натурных измерений.

В экспериментальных работах [11-13] описываются колебания затопленных фонтанов, которые наблюдаются как в турбулентном [11, 12], так и в ламинарном режимах [13].

В настоящей первой части работы определяются параметры течения и стратификации, обеспечивающие выполнение условий масштабного лабораторного моделирования истечения сточных вод из подводного коллектора. Описаны лабораторная установка, измерительная аппаратура и постановка эксперимента в Большом термостратифицирован-ном опытном бассейне ИПФ РАН (БТСБ). Приведены результаты экспериментов в этом бассейне и их обсуждение. Описывается также эксперимент в малом бассейне с солевой стратификацией, обсуждается применение методики Particle Image Velosim-etry (PIV) для получения профиля средней скорости струи. Приводятся теоретические расчеты автоколебаний в пространственно развивающихся течениях при наличии противотока и их сопоставление с экспериментальными данными.

2. МАСШТАБНОЕ ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ СТРУЙ ИЗ ПОДВОДНОГО КОЛЛЕКТОРА

По определению для реализации масштабного лабораторного моделирования течения в океане (в нашем случае - турбулентных плавучих струй, выходящих из заглубленного коллектора) требуется совпадение безразмерных параметров, описывающих его в натурных условиях, с соответствующими лабораторными параметрами, а также геометрическое подобие. Для определения параметров масштабного моделирования рассмотрим основные уравнения, описывающие эволюцию интегральных параметров плавучих турбулентных струй кругового сечения в стратифицированной жидкости, полученные в [14] с использованием следующих предположений:

1) жидкость несжимаема;

2) вариации плотности жидкости малы по сравнению с ее невозмущенным значением;

3) число Рейнольдса течения в струях велико, так что молекулярный перенос массы и импульса мал по сравнению с турбулентным переносом;

4) турбулентный перенос в направлении течения в струях мал по сравнению с конвективным переносом;

5) давление в жидкости описывается гидростатическим соотношением;

6) радиус струи мал по сравнению с радиусом ее кривизны;

7) профиль скорости в струе аппроксимируется функцией Гаусса:

и*(г, ф) = и(5)ехр^,

где 5 - координата вдоль оси струи, г - радиальная координата, ф - угол между плоскостью хг и заданным радиусом-вектором, и(5) - скорость на оси струи,Ь - радиус струи;

8) профиль дефекта плотности струи также описывается функцией Гаусса:

р * ( 5 , г, ф) - р *( 5, г, ф) = Р а( г) - Р ( 5 )ех |__г2_|

Ро Р а(го) ехр[ X2 Ь2]'

здесь ра - плотность окружающей среды, г0 - глубина расположения коллектора, ра(г0) = р0 - плотность окружающей жидкости на уровне коллектора, р(5) -плотность на оси струи, X = 1.16 - константа, полученная из экспериментальных данных для струи кругового сечения [14];

9) закон вовлечения задается соотношением:

-г- = 2 апиЬ,

-5

где 2 - объемный расход через сечение струи, а = = 0.057 - коэффициент турбулентного вовлечения.

Система уравнений, описывающих интегральные параметры такой струи, включает следующие уравнения:

• уравнение изменения расхода в струе за счет вовлечения:

d 2

—(ub ) = 2aub;

ds

(1)

• закон сохранения потока вдоль струи горизонтальной компоненты импульса:

d (u2b2cos 0) = 0, ds

(2)

d, 2,2 . 2,2 Pa(Z) - P(s) —(u b sin0) = 2gA b --—-—;

dS Ö pa(Zo)

(3)

dr u2,n t \ 4M 1+ A ,2 dpadz

dsub (pa(z) - p(s))] = —b uizais-

(4)

dx ds

dz ds

= cos0, = sin 0.

(5)

(6)

Введем новую переменную ß = g

P a ( Z ) - P( S )

P 0

Начальные условия для системы задаются параметрами струйного течения на выходе подводного коллектора:

и = и0, Ь = Ьо, Ар = Дро (в = во), © = 0, г = го, х=0.

Выразим систему (2.1)-(2.6) в безразмерных переменных:

5 = 5/Ь0, х = х/Ь0, г = г/Ь0, В = Ь/Ь0,

V = u /U 0,

ß = у.

P0

где © - угол наклона струи к горизонту;

• закон изменения потока вдоль струи вертикальной компоненты импульса за счет действия сил плавучести:

d (VB2) = 2 aVB,

ds

d (V2 B2cos 0) = 0, ds

d (V2 B2sin 0) = 2 A2 B2 yRí,

dss

(9) (10) (11)

d(VB2y) = VB2n (Z/h) sin0(Str), (12)

• закон изменения потока плавучести вдоль струи за счет вовлечения окружающей неоднородно распределенной жидкости:

dX d~s

dz d~s

= cos0, = sin 0.

(13)

(14)

Система (1)-(4) должна быть дополнена геометрическими соо

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.

Показать целиком