ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 4, с. 455-467
УДК 551.468
СРЕДНЕЕ ПОЛЕ СКОРОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ВОДЫ ПРИ ЛАБОРАТОРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ШТОРМОВЫХ И УРАГАННЫХ УСЛОВИЙ В ОКЕАНЕ
© 2014 г. А. А. Кандауров, Ю. И. Троицкая, Д. А. Сергеев, М. И. Вдовин, Г. А. Байдаков
Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: kandaurov@hydro.appl.sci-nnov.ru Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 Поступила в редакцию 26.08.2013 г.
На Ветро-волновом канале ИПФ РАН выполнены лабораторные эксперименты по исследованию структуры воздушного турбулентного пограничного слоя над волнами при условиях, моделирующих приводный пограничный слой атмосферы при сильном и ураганном ветре, при эквивалентных скоростях ветра на стандартной высоте 10 м от 10 до 48 м/с. С использованием модифицированной техники цифровой оптической анемометрии (PIV) получены осредненные по турбулентным пульсациям поля скорости воздушного потока над поверхностью воды, искривленной волной, и средние профили скорости ветра. Измерения показали, что логарифмический участок профиля скорости воздушного потока в канале наблюдался в непосредственной близости от водной поверхности (на расстоянии менее 30 мм) и мог быть обнаружен только с помощью дистанционных методов (PIV). По измеренным профилям скорости восстановлены зависимости коэффициентов аэродинамического сопротивления поверхности воды от скорости ветра на высоте 10 м, проведено их сравнение с результатами контактных измерений, выполненных ранее на той же установке. Показано их согласие с точностью до 20%, причем при умеренных и сильных скоростях ветра наблюдается совпадение в пределах экспериментальной точности.
Ключевые слова: ветер, волны, моделирование, турбулентность, пограничный слой, визуализация.
Б01: 10.7868/80002351514040063
1. ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие ветрового потока с поверхностными волнами является одной из центральных проблем исследования и параметризации процессов обмена в пограничных слоях атмосферы и океана [1]. Особый интерес представляет случай крутых и обрушающихся волн, образующихся при сильном ветре. В частности, при этом в немногочисленных натурных [2] и лабораторных экспериментах [3—5] был обнаружен эффект насыщения коэффициента аэродинамического сопротивления при увеличении скорости ветра. Основные трудности при экспериментальном исследовании турбулентного воздушного потока над взволнованной поверхностью воды в лабораторных условиях связаны с проведением измерений характеристик ветра вблизи поверхности воды, особенно во впадинах волн, где можно ожидать появления наиболее интересных особенностей этого потока, таких как экранирование и отрыв потока.
Техника цифровой оптической анемометрии (Particle Image Velocimetry (PIV)) наилучшим образом приспособлена для измерения воздушного потока во впадинах волн. В работах [6—8] представлен опыт применения техники PIV для измерения скорости воздушного потока над взволнованной поверхностью. В работе [8] удалось исследовать структуру средних полей скорости в воздушном потоке и их возмущений, индуцированных волнами, а также структуру турбулентных напряжений. Однако эти измерения были проведены при малых скоростях ветра.
Предметом настоящей работы является исследование характеристик высокоскоростных воздушных потоков в условиях интенсивного обрушения волн с образованием брызг вблизи взволнованной поверхности, в том числе, во впадинах волн. Ранее измерения в условиях сильных ветров с эквивалентной скоростью ветра U10 > 25 м/с при лабораторном моделировании экстремальных ме-
Рис. 1. Схема эксперимента, поперечное сечение канала: 1 — лазер подсветки, 2 — система сдува капель, 3 — скоростная видеокамера, 4 — рабочая часть канала.
теоусловий проводились лишь с помощью контактных датчиков (трубок Пито и термоанемометров) на значительном удалении от гребней поверхностных волн [3—5, 9]. При этом область измерения располагалась выше слоя постоянных потоков, где профиль скорости логарифмический, и его параметры (скорость трения ы^ и высота шероховатости z0) могли бы быть определены непосредственно с помощью профильного метода. Тогда для определения и Zo приходится использовать свойство автомодельности профиля скорости течения в каналах, как это было сделано в [4, 5]. Однако для уточнения автомодельной формы профиля скорости необходимо проводить измерения скорости потока как можно ближе к поверхности воды [10]. Оно может быть выполнено только с помощью бесконтактных методов, например, Р1У. В настоящей работе представлены результаты измерений скорости воздушного потока над волнами в лабораторных условиях, моделирующих сильные и ураганные ветра, с помощью модифицированной техники Р1У.
Статья имеет следующую структуру. В разделе 2 приводится описание установки, параметров эксперимента и методов измерений. В разделе 3 обсуждаются процедуры обработки данных для получения формы взволнованной поверхности, методов фразировки для корректного получения средних полей скорости и далее профилей средней
скорости. В разделе 4 проводится анализ полученных данных, обсуждение процедуры вычисления коэффициента аэродинамического сопротивления и сравнение с ранее полученными результатами.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились на Ветро-волно-вом канале Большого теромостратифицирован-ного бассейна ИПФ РАН. Канал воздушного потока сечением 0.4 х 0.4 м имеет длину над водной поверхностью 10 м. Подробное описание этой установки, принципов создания и управления воздушным потоком в ней приведено в [4, 5]. Общая схема экспериментов представлена на рис. 1. Наряду с РГУ-методами, которые являлись основным инструментом в настоящих исследованиях, использовались ранее опробованные контактные способы измерений. В рабочей секции канала на расстоянии 7 м от входа средние профили скорости воздушного потока измерялись с помощью трубки Пито.
Для визуализации воздушного потока в канале использовались полиамидные частицы средним диаметром 20 мкм, плотностью 1.02 г/м3. Время инерции частиц составляло 7 х 10-4 с. Устройство для ввода частиц, аналогичное применявшемуся
в работе [8], располагалось на входе в канал на расстоянии 6 м от области съемки. Тестовые эксперименты продемонстрировали, что система не вносит искажений в ветровой поток в области проведения измерений.
Для применения Р1У-метода движение частиц в воздухе в области измерений на расстоянии 8 м от входа в канал подсвечивалось вертикальным лазерным ножом по оси канала. Плоскость ножа формируется цилиндрической линзой из вертикального лазерного пучка (непрерывный Nd-YAG лазер, 532 нм, 4 Вт). Ширина области засветки менялась выбором радиуса цилиндрических линз и их взаимного расположения. Движение внесенных в воздушный поток частиц и поверхности воды, освещенных лазерным ножом, снималось сбоку с помощью высокоскоростной камеры Видеоспринт, размещенной горизонтально в герметичном боксе (см. рис. 1). Камера была расположена горизонтально, уровень объектива камеры находился выше уровня поверхности воды на 8 см. Фокальная плоскость была удалена от лазерной ножа на 77 см. Размер области съемки от (66.4— 16) х 256 мм (с увеличением скорости съемки размер кадра по горизонтали уменьшается). С внутренней стороны боковой стенки канала, через ко-
торую производится съемка, была установлена система сдува капель в виде металлической трубки, в которую подается сжатый воздух. Как показали тестовые эксперименты, система не вносила искажений в ветровой поток в области проведения измерений.
Эксперименты проводились при четырех значениях расхода воздуха в канале: 1.1, 1.6, 2.2 и 2.7 м3/с что, как будет показано ниже, соответствует эквивалентным скоростям ветра на высоте 10 м, и10, 11, 20, 37 и 48 м/с соответственно. В двух последних случаях наблюдалось сильное обрушение волн с образованием пенного гребня и интенсивной генерацией брызг (см. фотографии на рис. 2). Для каждой скорости ветра снято 30 реализаций, 3000—4500 кадров в каждой реализации, частота съемки: 1500, 3000, 5000 и 6000 к/с, время экспозиции от 50 до 14 мкс.
3. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
3.1. Определения формы границы раздела вода—воздух
Определение формы поверхности волн для каждого кадра необходимо для нахождения поля
Рис. 3. Пример нахождения формы поверхности лазерно-оптическим методом (а), по данным с волнографа в случае пенного гребня (б) и заднего фронта волны (в).
скорости путем кросскорреляционной обработки адаптивным РГУ-алгоритмом по криволинейной сетке в непосредственной близости от водной поверхности. Ранее для определения формы поверхности по изображениям с высокоскоростной камеры был разработан пошаговый алгоритм [11] на основе метода Канни [12]. Этот метод хорошо работал в условиях слабообрушающихся волн. Однако при увеличении скорости воздушного потока наблюдался переход к достаточно интенсивному с образованием брызг и пенных гребней. В связи с этим использовался комбинированный метод измерения возвышения поверхности воды, в котором оптические измерения дополнялись контактными с помощью струнного волнографа, установленного на оси канала непосредственно у края лазерного ножа. Записи возвышения уровня и высокоскоростной камеры были синхронизованы. Итоговая форма поверхности является комбинацией данных, полученных контактным и бесконтактным способами, при этом с увеличением скорости ветра роль контактных измерений возрастала вплоть до полного замещения оптических измерений для случая расхода воздуха 2.7 м3/с (рис. 3).
3.2. Определение скорости воздушного потока методом PIV
После нахождения формы поверхности рассчитывались поля скорости кросскорреляционным методом по криволинейной сетке, учитывающей текущую форму поверхности [8]. Использовался модифицированный РГУ-метод обработки, основанный на адаптивном поиске смещения максимума кросскорреляционной функции (далее сокращенно ККФ) для прямоугольных элементов изображения для двух последовательных кадров. Узлы сетки определения скорости
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.