Массообмен и структурные преобразования в плотностном потоке (1103656), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В ходе исследований применялся многопараметрический комплекс аппаратуры, который включал:• градиентную установку для синхронной регистрации скорости течения Uроторными датчиками на шести горизонтах в слое толщиной 3 м,• фотоэлектрический прозрачномер с датчиком температуры,• зонды фирмы «Эксперт» для измерений распределений электропроводности воды Cℵ и концентрации растворенного кислорода,••измерители направления течения, скорости и направления ветра,систему позиционирования (GPS), эхолот и батометры.Время комплексной съемки профилей U, T, S - 12 мин в слоях толщинойдо 20 м с дискретностью 0,5 м. Точности профильных измерений: 3% дляскорости с временем осреднения 4 мин. при U = 10÷70 см/с (при снижении Uот 10 до 3 см/с погрешность возрастала до 20%); 0,02 оС для температуры;1÷5 мг/л при S=5÷3000 мг/л для концентрации взвеси.
Минимальная разрешаемая скорость – 2 см/с. Погрешности измерений концентраций О2 - 0,1мг/л, солей Cdil (по Cℵ ) - 1 мг/л.Анализы проб, отбиравшихся одновременно с измерениями T, S, U, Cℵ ,позволили получить распределения концентраций растворенных примесей.По этим данным и результатам весового анализа проб проводились калибровки кондуктометра по общей минерализации и прозрачномера по концентрации взвеси.В третьей главе - Массоперенос в линзовом и гравитационном плотностных потоках - исследуется развитие придонных стратифицированныхтечений, вызванных прохождением холодных интрузий.
Приводятся данныеструктурных натурных измерений и разработанные математические модели.В разделе 3.1 дается общая характеристика проблемы исследований линзовых плотностных потоков, анализируются особенности распространения идинамики течений. Рассматриваются термически стратифицированные придонные потоки, обнаруженные при проведении исследований на Можайскомводохранилище и озере Имандра. Эти течения с толщинами 2÷5 м со скоростями до 13 см/с были вызваны, соответственно, дождевым паводком и холодной интрузией вод р.
Белой.10В ходе анализа данных измерений установлено, что преобразования потока на станции Зурбаган на Можайском водохранилище были вызваны движением вниз по склону холодной придонной линзы протяженностьюРис.1. Схемы а - распространения придонной интрузии и б - распределений скорости U иразности плотностей жидкостей ∆ρ в потоке и над ним по высоте z над уровнем дна. Обозначения: 1 - интрузия , 2 - направление гравитационного потока , 3 - профиль скоростиосновного течения , 4 - внутреннее течение , 5 - профиль разности плотностей жидкостейв придонном потоке и над ним ∆ρ, ∆ρ = ρ(z) - ρ(zu), ∆ρm =∆ρ(zm), ∆ρa = ρ(z0) - ρ(zm), z0 −высота динамической шероховатости, zu – толщина потока, zm – уровень максимума скорости Um = U(zm), UF = U(zu) – скорость течения над придонным стратифицированным потокомпорядка трёх километров (рис.
1). Выявлена эволюция течения в его ядре изадней фронтальной зоне. Внутри основного потока обнаружен вторичныйпридонный. Зарегистрирован подъем взвеси из придонной области к поверхности. Для теоретического описания данного потока построена и проверенаматематическая модель нестационарного стратифицированного течения сволновыми флуктуациями гидродинамического давления.Холодные линзы и облака мутности были выявлены также и в гравитационном стратифицированном придонном потоке малой плотности в губе Белой на озере Имандра (раздел 3.2). Установлено, что формирование такихструктур связано с нестационарностью притока (рис. 2а, б). С учетом выявленных закономерностей разработана методика моделирования течения. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности предлагаемых методов расчета плотностного потока и транспорта взвеси в прогнозах её распространения в аналогичных условиях.
Согласно полученным данным, плотностной поток теряет в губе Белой до 30 % поступающей в неё взвеси. Остальные взвешенные примеси переносятся в озеро. Несмотря на сравнитель-11но небольшие значения концентрации взвеси, ее поступление является важ-Рис 2а,б. Распределения температуры воды T и концентрации взвеси S в губе Белой (озИмандра, 1999) по данным измерений на двух разрезах (в 11ч 30мин ÷ 17ч, 28 июля (рис2а) и в 19ч ÷ 22ч, 29 июля (рис 2б).
По горизонтальной оси на графиках отложено расстояние от устьевого створа (x = 0). На первом разрезе (рис 2а) измерения начиналисьвыше устьевого створа непосредственно в реке (x = -1 км). По вертикали отложена высотаH над уровнем дна в точке с глубиной, максимальной на разрезе.ным фактором, влияющим на формирование качества воды озера, окруженного предприятиями, стоки которых могут содержать токсичные элементы.В четвертой главе – «Преобразования полей скорости, температуры иконцентраций примесей в гравитационных, градиентных и циркуляционных плотностных потоках» - анализируются распределения параметровтечений и состава воды в стратифицированных потоках различной природыпо данным детальных структурных измерений на 7 водохранилищах и озерах.
В разделе 4.1 дается общая характеристика результатов 14 серий зондирований. Для каждого из потоков рассматривается его природа и приводятсяосновные параметры. Выделяются диапазоны изменений характеристик течений, эволюция которых изучается в данной и последующих главах. Дляглубины водоема Н, толщины zu, средней скорости плотностного потока < U >и интегрального числа Ричардсона Riu эти интервалы составляют: 2 – 30 м,2 – 20 м, 3 – 32 см/с, 0.2 - 87.
Такие диапазоны значений характеристик плотностных потоков свидетельствуют о достаточно широком охвате разнообразных режимов течений указанных типов, которые встречаются как в водоемах12суши, так и в аналогичных по гидродинамическим условиям районах морей.Поэтому приведенные данные об эволюции плотностных течений представляют значительный интерес как непосредственно для выявления механизмовразвития таких потоков в озерах и водохранилищах, так и для исследованийподобных процессов в морях и океанах.В разделах 4.2 – 4.4 проведен анализ данных зондирований на 14 срочныхстанциях.
Выделены основные закономерности динамики и структурныхпреобразований наблюдавшихся плотностных течений. Получены полуэмпирические выражения параметров, характеризующих обнаруженные эффекты.Представлены пространственно-временные распределения характеристик течений, по которым в следующих разделах диссертации выявляются механизмы, и проверяется математическая модель массопереноса. Основные результаты, полученные в ходе проведенного анализа, сводятся к следующим:1. Обнаружены мигрирующие по глубине ядра (зоны максимумов скорости)придонного стратифицированного течения, возникающие под влияниемвнутренней волны.
Найдена и представлена аналитически зависимость положений этих ядер от параметров волны и течения.2. Установлено, что в линзовых течениях к характерным элементам распределений взвеси относятся ступенчатые структуры и максимумы концентраций частиц в слоях смешения, возникающие преимущественно в центральнойи фронтальной зонах потока (рис.3).3. Обнаружена эмиссия загрязнений из плотностного потока в вышележащие слои при прохождении ядра линзы (рис.
3в). Рассмотрены аналогичныеявления, зарегистрированные нами в потоке, индуцированном ветром на этойже станции в июле 1999 г, на продольно – осевых разрезах в Можайском иИваньковском вдхр. (июль 1996 - 1998) и в зоне формирования суспензионного потока в Нурекском вдхр. (август 1981). Отмечено существенное утолщение придонных нефелоидных слоев на участках резкого изменения уклонадна. На передних фронтах возвышений уровня дна толщина потока возрастала в 2÷3 раза.
Зафиксированы выбросы загрязнений в виде облаков мутностииз придонной области течения. Этот эффект эмиссии загрязнений из плотностного потока в вышележащие слои, препятствующий самоочищению вод,должен учитываться при прогнозировании качества воды в водохранилищах.4.
Установлено, что внутренняя волна (с соответствующим запаздыванием)переносит импульс из ускоряющихся ветром приповерхностных слоев воды вядро придонного стратифицированного потока, формируя положительныевозмущения скорости и сопутствующий рост ее градиента в сдвиговых слоях.Получены полуэмпирические выражения параметров этого процесса.13Z, мC6184а)16214010:010014:01418:00,18t, чсм/ссм/сZ, м6.310864.34б)22.30-2-40.310:0100Z, м-614:014018:00,18t, чмг/л650436222в)8010:01014:01418:00,18t, чРис. 3. Распределения а - температуры воды, б - скорости течения и в - концентрациивзвеси по высоте над уровнем дна и во времени.
(Можайское водохранилище, ст. Зурбаган 1998 г.)145. Для течения в высокопроточном Иваньковском водохранилище показано,что в среднем за время серии зондирований значения динамической и максимальной скоростей определялись на 50% стоковым градиентом давления, на26% - ветровым воздействием и на 24% эффектами стратификации.В разделе 4.5 выделены общие закономерности энергопередачи от приповерхностного течения к придонному. Рассмотрены основные типы механизмов переноса импульса в придонную область по итогам обзорного анализапубликаций. К числу этих механизмов относятся а) турбулентный переносимпульса в глубинные слои без существенных энергозатрат на работу противархимедовых сил при слабой стратификации, б) ускорение придонного потока под действием градиента давления, возникающего при развитии внутренней волны в термоклине за счет усиления дрейфового потока, в) передачаимпульса через высокоустойчивый термоклин при «клапанном» механизмепереноса, г) ускорение придонного потока при развитии двух ячеек циркуляции над термоклином и под ним при ветровом нагоне.Перечисленные процессы энергопередачи из эпилимниона в гиполимнион существенно зависят от обнаруженных в данной работе важнейших факторов, воздействующих на гидродинамическую устойчивость течений наразных глубинах от поверхности до дна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
