Гидродинамическая структура поверхностного слоя на границе раздела вода-воздух (1102770), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На рис. 6 представлены результаты анализа температурных полей вэтиловом спирте при наличии поверхностной структуры.15Рис. 6 — Сравнение полей температур, полученных тепловизором и ТФМ вкювете. Слева поле температур поверхности спирта в кювете, полученноетепловизором, справа поле температур в спирте, усреднённое по толщинекюветы, в плоскости перпендикулярной поверхности воды на девятнадцатойсекунде после снятия крышки с кюветы. По вертикали и горизонталиотложены количество зон опроса, каждая зона размером в 5 пикселей, сбокудана цветовая температурная шкала в градусах Кельвина.
Внизу: профилитемпературы, усреднённые по толщине кюветы, на расстоянии порядка 1 ммот поверхности спирта (ТФМ, синий график 1) и непосредственно наповерхности (интегрируемый слой не превышает 100 мкм, тепловизор,розовый график 2)Поле температур, фиксируемое с помощью ТФМ, позволяет определитьглубину этих нитей. В бассейне с водой за счет значительной длиныинтегрирования усреднение по одной координате приводит к потере частиинформации о структуре трехмерного температурного поля, тем не менее,16сравнение усредненных значений дает очень хорошую корреляциюрезультатов ТФМ и термографии (рис. 7).Рис. 7 — Профили температуры поверхности воды, усреднённые потолщине бассейна через 25 с и 45 с после снятия крышки.
Синий график —ТФМ,расстояние 1 мм от поверхности, розовый график — тепловизор, верхние100 мкмТаким образом, теневой фоновый метод по своим характеристикам оченьхорошо подходит не только для качественного, но и для количественногоанализа температурных полей в приповерхностном слое. Дополнение ТФМтермографическими измерениями позволяет получить достаточно полноепредставление о температурном поле.Вчетвёртойглаверассматриваютсялабораторные инатурныеисследования прилегающих к границе раздела слоёв воды и воздуха методомтермозондирования. Основное внимание уделено не хорошо известнымрезультатам по усреднению температурных профилей, а на экспериментах поисследованиюнеоднородностиприповерхностногослоя,условийприменимости метода термозондирования, а также исследованию подобияконтактных и скрытых потоков для их мгновенных значений. Показано, что,несмотря на сложность использования данного контактного метода, приопределенных условиях он может давать информацию о мгновенных значенияхпотоков вблизи поверхности как в воде, так и в воздухе.В разделе 4.1 рассматривается вопрос о применимости градиентногометода, поскольку результаты предыдущих глав указывают на существованиезначительных горизонтальных гидродинамических потоков уже на глубинепорядка 100 мкм.
Этот факт делает невозможным прямое использование17стационарных термометров, поскольку они меняют структуру потока, однакоприменение термозондирования оказывается возможным, и до глубиныпорядка 1 мм можно считать, что тепловой поток определяется, в основном,молекулярным переносом из-за малой вертикальной составляющей скорости.Горизонтальнаякомпонентаскоростиприводиткнеоднородномураспределению потока по поверхности, но слабо меняет интегральныйвертикальный поток тепла.В разделе 4.2 описываются лабораторные измерения вблизи границыраздела «вода-воздух» методом непрерывного термозондирования.
Рассмотренвопрос о влиянии инерционности термопары в воздухе на регистрируемыепрофили температуры. Проведены как экспериментальные измерения показателятепловой инерции, так и теоретические расчеты с помощью стандартныхинженерных формул. Установлено, что показатель тепловой инерции в воздухесильно влияет на точность температурного профиля в воздухе и в воде, особеннов условиях, когда в воздухе существует устойчивая стратификация у поверхностираздела сред. Подобрана скорость и геометрическая форма термозонда дляоптимизации измерений в лабораторных условиях.
Показано, что в лабораторныхусловиях средние значения мгновенных потоков тепла хорошо согласуются срасчётами по модели ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and AirConditioning Engineers) для средних значений потоков и со средними потоками,определёнными с помощью инженерного метода баланса потоков тепла, однакоотклонения мгновенных значений потоков тепла от средних достигают 20%.Рассмотрено соотношение суммарного и контактного потоков тепла с точкизрения гипотезы Боуэна. Показано, что величины суммарного и контактногопотоков тепла, измеренные градиентным методом, хорошо согласуются спредположением о подобии скрытого и контактного потоков тепла по Боуэну.В разделе 4.3 приводятся примеры натурных измерений, выполненных сучастием автора в экспедициях на Чёрное море.
Сравнение результатовэкспериментальныхисследованийсуммарногопотокатепламетодомтермозондирования со средними теоретическими значениями, рассчитанными18по модели COARE (Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment),показывает, что, несмотря на значительные отклонения мгновенных потоковтепла от средних значений (порядка 100 %), при усреднении эти результатыхорошо соответствуют друг другу для ситуации, когда температура воды вышетемпературы воздуха и в воздухе возникает неустойчивая стратификация. Этосоответствие вполне закономерно, поскольку при построении модели COAREиспользовались, в том числе, и результаты измерений, аналогичных нашим,полученные на кафедре физики атмосферы физического факультета МГУ дляакватории Черного моря.
Однако стоит отметить, что в некоторых случаях,например, при апвеллинге, соответствие не наблюдается по причине плохойприменимостиметодатермозондированияприданномсоотношениитемператур воды и воздуха. Кроме того теоретические модели, как правило,плохо описывают движение холодного воздуха у поверхности воды.В заключении сформулированы основные результаты и выводы.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1. С помощью использования набора различных жидкостей с разнымихарактеристиками (глицерин – вода – декан – бутиловый спирт – этиловыйспирт), такими как давление насыщенных паров, коэффициент поверхностногонатяжения и вязкость, было показано методом термографии поверхности, чтоэти свойства, в сочетании с условиями эксперимента (влажность, температуражидкости и воздуха, наличие обдува), определяют возникновение двухразличных гидродинамических режимов на поверхности, связанных ссуществованием или отсутствием конвекции Марангони.2.
С помощью засева легких частиц на поверхность и термографии влабораторных условиях показано, что в воде наблюдаются значительныеградиенты горизонтальной скорости по вертикальной оси. Это приводит кпоявлению движения жидкости на глубине порядка 100 мкм при практическинеподвижном верхнем слое.3. Анализ граничных условий показал, что ни одно из применяемых19граничных условий в настоящее время не может в общем случае описатьструктуру поверхности воды.4.
Впервые теневой фоновый метод был использован для определенияполей температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред. Рассмотреныкак задачи испарения, так и задачи нагрева поверхности ИК – излучением.Показано, что точность метода не хуже 0,1 ОС, с разрешением по пространству0,1–0,5 мм. Измерения теневым фоновым методом в отдельно взятых точкахсовпадают в пределах погрешности с измерениями термопарой.5. Разработана методика фиксации поля температур, основанная наодновременном использовании теневого фонового метода и термографииповерхности, которая позволяет получить подробное поле температур в слоежидкости вблизи поверхности (расчеты проводились для этилового спирта иводы) и провести сравнение двух методов в слое вблизи границы. Полученополное соответствие методов.6.
Установлено, что метод термозондирования может использоваться бездополнительной корректировки профиля только при наличии неустойчивойстратификацииввоздухе.Спомощьюмодифицированногодатчикатемпературы показано, что гипотеза Боуэна о подобии контактного и скрытогопотоков тепла хорошо выполняется в лабораторных условиях для мгновенныхзначений, что позволяет в ряде случае существенно упростить расчеты.7.
Показано, что в натурных и лабораторных условиях дисперсиямгновенныхзначенийпотоковтепла,полученныхспомощьютермозондирования, достигает 100 % в натурных и 20 % в лабораторныхусловиях от величины эмпирических расчетов потоков тепла, получаемых изизмерений температурыивлажностина разныхгоризонтах. Однакоусредненные по времени величины находятся в хорошем соответствии, чтосвидетельствует о сильной неоднородности рассматриваемого поверхностногослоя.20Работа выполнена с использованием оборудования, приобретённого засчёт средств Программы развития Московского университета.ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИположения диссертации представлены в следующихОсновныепубликацияхВ публикациях из списка ВАК1.Караваева Е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
