Массообмен и структурные преобразования в плотностном потоке

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА,ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ,ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 551.465:556.536Шильнев Андрей ВладимировичМАССООБМЕН И СТРУКТУРНЫЕПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ПЛОТНОСТНОМ ПОТОКЕСпециальность 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2007Работа выполнена на кафедре физики моря и вод суши физического факультетаМосковского Государственного Университета имени М.В.

Ломоносова.НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:доктор физико-математических наук Б. И. СамолюбовОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:доктор физико-математических наук В.В. Жмурдоктор физико-математических наук А.Г. КостянойВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:Институт Водных Проблем РАНЗащита состоится «5» апреля 2007 г. в __ час. __ мин. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.63 в Московском Государственном Университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы,МГУ им.

М.В. Ломоносова, физический факультет, ауд. ____ .С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ.Автореферат разослан «»марта 2007 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.63кандидат физико-математических наукВ.Б. СмирновОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.В диссертации представлены результаты гидрофизических экспериментальных и теоретических исследований массообмена в стратифицированныхпридонных плотностных течениях с внутренними линзами и фронтальнымизонами. Дан анализ структурных преобразований гравитационных, градиентных и циркуляционных стратифицированных течений по их длине, глубине иво времени. Приведены разработанные математические модели течений и переноса примесей с учетом особенностей обмена в сдвиговых слоях и ядре потока, а также результаты апробации теоретических методик по репрезентативной базе данных натурных измерений.АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Плотностные потоки, устойчивостьграниц и динамика которых определяется разностью плотностей жидкостей втолще течения и над ним, отличаются активным воздействием на дно и окружающие воды. Подобные потоки с термической, соленостной и суспензионной стратификацией в зонах их действия вносят значительный вклад в динамику вод озер, водохранилищ и морей. Эти течения могут оказывать существенное влияние на процессы формирования качества воды. Для прогнозаданных и ряда других практически важных процессов в природных бассейнах необходимы методы теоретического описания стратифицированных потоков.

Поэтому плотностные течения привлекают внимание специалистов,работающих в фундаментальных и прикладных областях, связанных с исследованиями динамики придонных вод. Из обзора публикаций по этой проблеме следует, что их количество неуклонно возрастает за счет появления работ,посвященных изучению механизмов развития, математическому моделированию течений и переноса примесей.С фундаментальными проблемами исследований придонных плотностных потоков связаны задачи гидроэкологии, нефтегазодобычи, освоения рудных полезных ископаемых океана, прокладки подводных коммуникаций игидротехнического строительства.Вместе с тем, остается не вполне ясным ряд особенностей природы придонных стратифицированных течений, что обусловлено прежде всего зависимостью характеристик этих потоков от изменения окружающих условий.Плотностные течения могут менять структуру, ускоряться или замедляться засчет процессов их взаимодействия с дном и окружающей водной средой.

Ситуация дополнительно осложняется из-за спорадичности появления потоков,вызванных интрузиями жидкости повышенной плотности в водоем. В мелководных районах водохранилищ, озер и морей усиливаются недостаточноизученные процессы взаимодействия плотностного потока с дрейфовым. Сохраняется уникальность данных натурных исследований, необходимых длявыявления закономерностей развития течения в его ядре, сдвиговых слоях и3фронтальных зонах. В связи с этим, осложняется выявление механизмовдиффузии примесей в плотностных потоках.

Для решения отмеченных проблем проводится интенсивное изучение стратифицированных течений в натурных и лабораторных условиях. Тем не менее, методы расчета таких потоков, порой катастрофически мощных, пока далеки от необходимой степенисовершенства. Наиболее эффективны исследования, в которых сочетаютсяструктурные натурные измерения и математическое моделирование плотностных течений с учетом их взаимодействия с вышележащими водами.Итоги выполнения такой комплексной программы экспериментальных итеоретических работ по изучению гравитационных, градиентных и циркуляционных придонных стратифицированных потоков различной природы приведены в диссертации.

Анализируются данные исследований структур полейскорости, температуры и концентраций взвешенных и растворенных примесей, разрабатываются математические модели течений и массопереноса.ЦЕЛИ РАБОТЫ:9 Выявление закономерностей воздействия стратифицированных потоков свнутренними фронтальными зонами и линзами повышенной плотности нараспределения примесей в водохранилищах и озерах9 Расшифровка механизмов влияния локальных эффектов изменения устойчивости течений в разных слоях водоема на энергопередачу от приповерхностного потока к придонному9 Разработка математической модели тепло- и массопереноса в придонномстратифицированном потоке для описания эволюции вертикальных распределений температуры и концентрации взвеси с учетом взаимодействия сдвиговых слоев течения.НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

С применением специальных приборов и методик получены не имеющие аналогов по содержанию, объему и детальности данные об эволюции структур одиннадцати плотностных теченийс внутренними линзами и фронтальными зонами в 7 водохранилищах и озерах. Выявлены закономерности структурных преобразований течений и распределений примесей. Выявлены условия усиления энергопередачи в придонное плотностное течение из вышележащих слоев и получены зависимостидля оценки такого ускорения потока при изменениях интегральной устойчивости течения по всей глубине к ветровому воздействию.

Разработаны и проверены по репрезентативной базе данных новые методы математического4моделирования течений и переноса примесей с учетом особенностей обменав сдвиговых слоях и ядре потока.ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Характеристики аппаратуры попространственно-временному разрешению, стабильности параметров и калибровок измерительных систем, а также методики натурных экспериментов,обработки и анализа данных обеспечивают надежность результатов измерений. Оценки погрешностей измерений свидетельствуют о достоверности ивысокой степени обоснованности научных положений и выводов.Выявленные закономерности надежно воспроизводятся при анализе и сопоставлении данных, зарегистрированных в ходе экспедиционных исследований на разных полигонах.Достоверность полученных теоретических выводов и аналитических решений подтверждается их согласием с материалами из репрезентативной базы данных, сформированной в этой работе, и с результатами других измерений.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

Полученные результаты измерений ивыводы о механизмах развития стратифицированных течений, разработанныемодели для расчета плотностных потоков, а также распределений концентраций примесей могут быть применены в решениях задач гидроэкологии, припроектировании и эксплуатации гидросооружений, а также при изучении имоделировании аналогичных процессов в водохранилищах, озерах и морях.ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.1.

Развитие линзового течения в его фронтальной зоне определяется волновыми флуктуациями гидродинамического давления, а в центральной частипотока сопровождается эмиссией загрязнений в вышележащие слои. Предложенная модель этого течения проверена по данным измерений в сериях последовательных зондирований.2. Энергопередача в придонное плотностное течение из вышележащих слоев усиливается при прохождении в потоке задних фронтов холодных линз ивнутренних волн. Эти эффекты учитываются найденными зависимостямискорости потока от интегральной устойчивости течения к ветровому воздействию для основных механизмов энергопереноса через термоклин.3. Для теоретического описания тепло- и массопереноса в плотностном течении эффективна математическая модель, построенная на базе гипотезывзаимодействия сдвиговых слоев.

Модель проверена по данным натурных5исследований эволюции вертикальных распределений концентрации взвеси итемпературы воды в 11 придонных стратифицированных течениях различнойприроды. Учитываются все основные типы зарегистрированных преобразований профилей концентрации.АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По результатам работы сделаны доклады на19 всероссийских и международных конференциях. В том числе: на 4-й междунар.

науч. конф. «Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей» (1999, 2004); на междунар. науч. конф. «Динамика атмосферы и океана» (1995); на всерос. науч. конф. «Воробьевы горы - 95» (1995); на междунар. науч. конф. «Физические процессы на океаническом шельфе» (1996); на1-й всерос. науч. конф. «Взаимодействие в системе литосфера-гидросфераатмосфера» (1996); на всерос. науч. конф.