Массообмен и структурные преобразования в плотностном потоке (1103656), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Для аналитического представлениятакого многопараметрического процесса в разделе 4.5 рассмотрены зависимости скорости плотностного потока от устойчивости течения по всей глубине водоема к ветровому воздействию. Эта устойчивость характеризуется2Ri* = gδρ H ρU *w,гдеδρ=ρk-ρH-0.1,полнымчисломРичардсонаU *w = (τ w ρ ) - скорость трения и τ w = α D ρ ACDAU w U w - напряжение трения0.5на границе вода-воздух, ρA - плотность воздуха, CDA - коэффициент сопротивления, αD - коэффициент, зависящий от степени развития ветрового волнения, влияния берегов и других факторов.В соответствии с указанными выше механизмами энергопередачи от приповерхностного течения к придонному, результаты измерений на станцияхудалось систематизировать, объединив их в три группы.К первой группе относятся результаты, которым соответствуют кривыеUm(Ri*), отражающие спадающую зависимость максимальной скоростиплотностного потока от полного числа Ричардсона. Подобная связь Um и Ri*(практически без запаздывания ускорения течения относительно усиленияветра) характерна для клапанного механизма передачи импульса через высокоустойчивый термоклин.
В эту группу вошло 60% всех рассмотренных данных. Получено общее для рассмотренных ситуаций полуэмпирическое выра15жение скорости плотностного потока U m U m = 0.3 U wn(Ri* Ri*)Aw. Здесь<…> - знак осреднения по времени выполнения всей серии зондирований,<Uw>n=<Uw>/Uw1, Uw1=1 м/с, Aw=0.13<Uw>n-0.6.Вторая группа включает результаты, дающие сходную по виду зависимость Um(Ri*), но только со сдвигом чисел Ri*, по времени на величину,близкую к полупериоду наблюдавшихся флуктуаций скорости ветра и параметров течения.
Такое поведение функции Um(Ri*) соответствует волновомумеханизму энергопереноса.Третий тип зависимости Um(Ri*) имеет прямо противоположный характер(Um∼Ri*) и наилучшим образом объясняется ускорением плотностного потокапри развитии двух ячеек циркуляции над термоклином и под ним при ветровом нагоне на плотину водохранилища (рис. 4).В 90% рассмотренных случаев измеренные значения Um/<Um> согласуются с указанными аппроксимациями, в пределах 15% -ного среднеквадратического отклонения.
Отмеченное соответствие данным измерений в существенно различных течениях с толщинами zu=2-20 м, средними скоростями<U>=3-32 см/с и интегральнымичислами Ричардсона Riu=0,2-87,Ri*=102 – 6⋅104 свидетельствует а)о правильности представлений омеханизмах энергопередачи изэпилимниона в придонное течение, которые были рассмотрены входе проведенного анализа, и б) овозможности применения полученных зависимостей для оценкиизменений скорости плотностного потока во времени при моделировании аналогичных течений.Анализ распределений скорости и параметров состава воды поглубине и во времени (раздел 4.4)Рис.
4. Распределения а) – скорости ветра вопоказал, что влияние усилений времени и б) - скорости течения U по глубине искорости приповерхностного те- во времени, на станции перед плотиной Истрин3чения на придонный поток суще- ского водохранилища при расходе воды 18 м /с(14 июля 2002 г.).ственно ограничивается из-за повышения устойчивости течения16за счет его структурных преобразований. Полученные в данной работе связискорости плотностного потока с полным числом Ричардсона позволяютучесть эффекты такой блокировки энергопереноса в придонное течение, моментам проявления которой соответствуют пики Ri*.Отмеченные эффекты обусловлены прохождением в потоке следующихструктурных форм: 1) передних фронтов и вершин холодных зон (линзовойили волновой природы), 2) интервалов между линзами и областей подошввнутренних волн.Ситуации ускоренного переноса импульса в придонный плотностной поток (“прорыва” через термоклин) при одновременном усилении ветра и снижении устойчивости по всей глубине водоема показаны на рис.
5. Таким образом, усиление течения в эпилимнионе за счет стоковых и дрейфовых течений - далеко не единственное условие, необходимое для ускорения придонного течения. Более того, по данным наших наблюдений резкие усиленияветра нередко либо вообще не приводили к ускорению придонного потока,либо вызывали ускорение, значительно меньшее, чем более слабый ветер вмоменты снижения устойчивости по всей глубине водоема и в придонномпотоке за счет указанных выше факторов. Практически во всех случаях эффект «прорыва» имел место в моменты спада интегральной устойчивостивсей толщи вод к ветровому воздействию.Рис. 5.
Схема процесса ускорения плотностного потока (А) за счет передачи импульса извышележащих слоев воды, включающая основные ситуации усиленной энергопередачипри одновременном росте скорости ветра и снижении устойчивости по всей глубине водоема (Б), прохождении задних фронтов придонной холодной линзы (В) и внутреннейволны (Г) (затененные области).
На схеме ρe, ρg, ρl - плотности воды в эпилимнионе, гиполимнионе и в холодной придонной линзе; 1, 2, 3 – векторы скоростей придонного иприповерхностного течений, ветра, распространения линзы, 4 – поток импульса из эпилимниона в гиполимнион. Пунктир - профили скорости, температуры воды и разностиплотностей в процессе их изменения относительно начальных форм (сплошные линии).17Согласно рис. 6, при ускорении придонного потока на 30 – 70% среднейскорости преобладающаячасть зарегистрированных«прорывов» совпадает повремени с прохождениемзадних фронтальных зонвнутренних волн или холодных линз.Следовательно, выявленныегидродинамические Рис.6.
Распределение числа «прорывов» термоклина,условияобеспечивают сопровождающихся ускорением придонного течения,максимальную вероятность по значению отношения скорости потока к средней завремя серии зондирований. Обозначения: 1 - распредевоздействия усилений вет- ление для всех «прорывов» с U /<U > >1, 2 – в случаmmра на придонные плотно- ях, совпадающих с прохождением задних фронтальныхстные потоки даже при зон внутренних волн или холодных линз.высокоустойчивом термоклине.Глава 5 - «Теоретическое описание распределений температуры иконцентраций примесей по модели взаимодействия сдвиговых слоевплотностного потока» - включает результаты разработки и проверки математической модели для расчета профилей удельного содержания взвеси итемпературы воды с учетом особенностей обмена в сдвиговых слоях и ядретечения.
В разделе 5.1 дается общая характеристика методов моделированияраспределений примеси в плотностном течении. Основные идеи моделивзаимодействия сдвиговых слоев придонного стратифицированного потокарассматриваются в разделе 5.2.Согласно представлению о взаимодействии сдвиговых слоев, предлагаемому в данной работе для плотностного течения, потоки примеси из придонного слоя и слоя смешения распространяются до уровней zm (1+δp)≤ zm+ и,соответственно, zm (1-δp)≥zm- (рис.
7). Здесь δpzm - интервал проникновения,находящийся в области взаимодействия с границами zm+=zm+∆, zm-=zm -∆. Относительное время прохождения потока массы через зону δpzm определяетсяфункцией взаимодействия γp. При взаимодействии сдвиговых слоев, областис профилями S, T, соответствующими слоям смешения и придонному, попеременно “вытесняют” друг друга из зоны zm±∆.Профили S, T по всей высоте течения zu получаются сшиванием распределений S-, T-, S+, T+ в слоях zm-÷zu и zk÷zm+ в виде:18Рис.
7. Схема взаимодействия сдвиговых слоев. Обозначения: 1, 2 - профили скоростиU/Um и концентрации взвеси S/Sm; 3 и 4 — распределения S/Sm в слоях zm- ÷ zu и zk ÷ zm+ вотсутствие взаимодействия; 5 и 6 — турбулентные потоки взвеси из придонного слоя вслой смешения и наоборот; δp и ∆/zm - глубина проникновения и толщина слоя взаимодействия, нормированные на высоту максимума скорости zm; zq- равновесный уровень; 7 профиль функции взаимодействия γp из (5.10) для разных zq; tav- время съемки профилейконцентрации и температуры.S = γ p S + + (1 − γ p ) S − ,T = γ pT + + (1 − γ p ) T −(1)В такой формулировке, гипотеза о взаимодействии, известная для теоретического описания переноса импульса через ядро струи, распространяетсяна перенос примеси в придонном течении. В отличие от подходов, предлагавшихся ранее, в данной работе учитывается неоднородность профиляфункции взаимодействия γp, который детально рассмотрен в разделе 5.3.В соответствии со схемой (рис.
7) и выражением (1), функция γp равна 0,5на равновесной высоте z=zq и приближается к 0 и к 1, соответственно, приz>zm+∆ и z<zm-∆. Этим условиям удовлетворяет распределение:{)}(γ p = 0.5 1 − th ( z − zq ) 2 (δ p + Cδ ) zm ,(2)в котором δpzm=|zq-zm|; Cd = 3·10-5. Толщина ∆ оценивается по (2) при γp, близких к предельным: 10-2 и 0,99.Для нормированной глубины проникновения потока массы примеси изодного слоя в другой δp, получено полуэмпирическое выражение вида (рис 8)19Рис. 8. График зависимости глубины проникновения турбулентного потока примеси δp изодного сдвигового слоя в другой от интегрального числа Ричардсона Riu. Обозначениясоответствуют результатам серий зондирований на водохранилищах Нурекском (1980 г).- 1, Можайском (Поздняковский плёс, 1996 г) – 2 и Истринском (ст. Пятница, 1999 г) – 3,на оз.
Телецком (ст. Чулышман, 2003 г) – 4 и (ст. Кара-Таш, 2003 г) - 5, на Вазузском (ст.Карманово, 2002 г) – 6 и Иваньковском (ст. Шоша, 1998 г) – 7 водохранилищах, на оз.Имандра (губа Белая, 1998 г) - 8, на водохранилищах Истринском (ст. Плотина, 2002 г) –9 и (ст. Дьяково, 2002 г) - 10, Нурекском (1981 г) - 11, Можайском (ст. Зурбаган, 1998) 12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
