Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 43

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 43)

5.18.5. «1(ошачья лапая Место присоединения воздушного потока часто можно наблюдать на воде, где оно имеет вид гигантской лапы, скользящей вперед. Движение происходит вниз по потоку за вихрем, который уже оторвался и вызывает резкое увеличение скорости ветра, возмущающее поверхность воды. Это явление показы- Движение относительна Смещение относительно поверапосгпи земли фронта Рис, о.18 10 Фронтальная часть воздушного потока, стекающего сверху и вы- зывающего резное усиление ветра («кошачья лапа») Лучше всего это антенне паблюдзется на поверхнсстн воды, ноторая вдруг морщатся, покрываясь «ороткнмн волначн.

однако его чожпо наблюдать также на лугах н полях, засеянных культурнымн алакамн. «Кошачьи лапм» появляЮтся с подветренной стороны препятствиЯ н в оттоках на зон, где бушует шторм Воздух перед фронтом Оп водя«- мается от поверхностн вверх, а слой АВС стелется по поверхпостн как «озер, образованный воздухом, обладающнм большей скоростью двнження. Штрнхамн помечены положе- ния частиц воздуха, аапнчаемые нмн после счещевня фронта вправо. вает, что такой срыв вихрей представляет собой не просто перемещение всей структуры вниз но потоку, вызванное стационарными вихрями, а связан с наличием фронтов (см.

для сравнения равд. 9-9 и рис. 4.8.2), за которыми воздух, обладающий большей скоростью, опускается к подстилающей поверхности (рис. 5.18.10) . 5.18.6. Суточные аффекты Анабатические и катабатические ветры оказывают на явление отрыва ярко выраженное влияние. Катабатичеекий ветер, поднимающийся при охлаждении земли после захода солнца, дует в очень тонком приземном слое, но и его бывает достаточно, чтобы предотвратить отрыв потока от подветренного склона холма.

Наиболее интересным является то, что ГЛАВА 6 в результате могут появиться подветренные волны, и сильный ветер в зоне впадины первой подветренной волны часто принимают за сам катабатический ветер. Хороший пример приведен у Ли и Неймарка (1952), которые отмечают, что в Данстейбле планер взмыл на 1220 м, попав в подветренную волну за склоном высотой 61 м. Анабатические ветры в сильной степени способствуют отрыву, особенно если подветренный склон обращен к солнцу (рис, 5.18.7, а), Это главная причина исчезновения волнистых облаков в начале дня. 6.18.7. Запирание Из изложенной ранее в этой главе теории следует, что возмущение в окрестности хребта меняет фазу в направлении г с периодом 2п/1. Это означает, что поверхность узлов находйтся на некоторой высоте, не более чем 2п/1 над невозмущенной нижней границей потока, и если горный хребет имеет ббльшую высоту, то нет таких течений, которые можно было бы описать теоретически, даже в произвольной амплитудной форме.

Лонг предполагает, что в этом случае может происходить запирание, так как нет регулярного смещения воздуха над хребтом, которое могло бы создать достаточно низкое давление, позволяющее приповерхностному воздуху достичь этой высоты (число Фруда оказывается много больше единицы).

Запирание является главной причиной возникновения фенов — ветров, приносящих воздух с высоты, несколько большей высоты хребта, с его наветренной стороны, к поверхности земли на подветренной стороне хребта (рис. 5.18.11). Повышенную температуру фенов во многих учебниках объясняют выделением скрытой теплоты при выпадении дождей над хребтом. В разд. 11.6.2 показано, что это объяснение в большинстве случаев неправильно, даже когда дождь действительно идет; еще более очевидна его ошибочность, когда дождя нет и нет даже облаков над горным хребтом.

Типичные фены и чинуки дуют, когда горный хребет преграждаег путь массам холодного воздуха. Масса холодного воздуха на подветренной стороне хребта может вызвать отрыв потока, причем холодный воздух в долине с подветренной стороны хребта остается неподвижным (рис. 5.18.12), Верхней граничной поверхностью в таких случаях является верхняя граница облака, излучение которой создает устойчивый разрыв плотности (см.

разд. 11.1.2); при этом плоскость границы облака наклоняется за счет движения подветренных волн в потоке воздуха над ним. Иногда даже ВОлны В стРАтифицирОВАннои жидкости при небольшом наклоне, но при сильном ветре, дующем во впадине волны, на устойчивом слое могут образовываться Рис. 5 18.11 Лап«раппе холодного воздуха иа наветренной стороне хребта н образование теплого ветра с гор. еплы воздух. о «ст рый несет фен нлн чину«, обычно спуо«естся сверху, «агда путь холодной зов«ушной массе прегравгдает горный хребет. Под и рв пе ой подветренной волной «ст е сильным ветром часта про происходит отрыв потока. и зто создает резкий «онтр м зкау ппхножья хребта н зоной затишья нлн возвратного течен ия там, г е зсполагается Д Р у п вихрь. завихрения, переходящие в облачные валы. Присутствие или отсутствие анабатических ветров над устойчивым слоем на Рис 518.12, Отрыв потока на наветренной стороне хребта под влиянием массы неподвижного холодного воздуха на равнине.

Ч ст холодная воздушная масса заполняет лоан«у ил» равнину, отгороженную горным «сто х о еб м Сверху зта масса нередка покРыта слоем облаков, врнчем положение завихрннй н других возмущений в верхнем слое определяется поведением вихрей в зоне отрыва подветренном склоне может вызвать возмущение верхней границы слоя, особенно в случае, если толщина находящегося здесь облака очень мала и анабатический ветер создается за счет нагрева солнцем части склона, расположенной под этим ГЛАВА 6 слоем. Иногда во впадинах земной поверхности или вблизи гребней подветренных волн ври слабом ириповерхноетном ветре образуются неглубокие скопления очень холодного воздуха, границы которых, отделяющие их от теплого воздуха фена, перемещаются и вызывают очень резкие вертикальные изменения температуры. Это явление наблюдается обычно при первом теплом весеннем фене, когда впервые уносится холодный воздух, но поверхность земли еще сильно охлаждена.

5.18.8. Трехмерные эффекты По-видимому, нельзя предложить способ систематического описания явлений, возникающих за трехмерными препятствиями произвольной формы при их обтекании с отрывом по- Рнс. 5 18.13. Обтеквнне одиночного холмв. течение вверх па подветренному силону одиначиога холме может и не иметь вида подветренного вихря, однвка циркуляция в поднетреннон ване приводит к таму, что некоторые чвстнцм, прежде чем они будут снесены виня по потоку, могут совершить несколько оборотов тока. При обтекании зданий с внутренними дворами или башнями, кораблей, имеющих на надстройках множество разнообразных острых кромок, а также концевых участков горных хребтов течение зависит не только от формы препятствия, но и от степени турбулизации воздушных масс и их стратификации.

Лучший совет, который можно дать в этом случае,— использовать любые средства визуализации воздушных потоков. При этом эффективность трассера в большой мере зависит от того, кто им пользуется. Можно получить массу удовольствия, применяя дым, мыльные пузыри, воздушные шары, флажки, наблюдая снегопад и т. и. На рис. 8.18,13 показана структура течения при обтекании одиночного холма, полученная Форхтготтом (1950) в результате наблюдений.

8.18.9. Срывные вихри Если воздушные потоки, текущие с двух сторон к линии отрыва, имеют вдоль нее разные составляющие скорости, то она может стать основанием вихревой пелены. Так как эта ВОлны В стРАтиоициРОВАннои жидкости линия в то же время является линией торможения, то ускорение потока направлено вверх и растягивает вихревые линии, опирающиеся на нее одним концом. При этом интенсивность вихревой пелены возрастает и отдельные вихри могут стать чрезвычайно сильными.

В результате на подветренных склонах часто образуются пыльные или снежные смерчи, которые иногда поднимают с земли и уносят различные предметы. -уу. Рис. 5.18.14. Срыв вихрей с подветреипото сидоиа. Время жизни таких вихрей обычно невелико. На рис. 5.18.14 показан характер движения в рассматриваемом случае. 5.19. Некоторые теоретические трудности Пытаясь найти подходящее граничное условие, которое можно было бы поставить для верхних слоев атмосферы, многие теоретики исходили из того, что достаточно найти условие, которое дает единственное решение.

Правильность выбора такого условия зависит от того, является ли оно действительно характерным. Весьма популярно «условие излучения», при котором выделяется решение, дающее силу, действующую на препятствие в направлении набегающего потока (равд, 5.11 и 5.13). Это решение получается методом установления, т, е. путем решения уравнений нестационарного движения при стремящемся к бесконечности времени, когда все распространяющиеся вниз по потоку волны, при отсутствии в нем источников волн, затухают (т.

е. когда нет излучения, направленного по потоку). Известны, однако, два важных случая стационарных течений, когда этот критерий неприменим, и это заставляет сомневаться в его универсальности. Не предложено еще теории, которая описывала бы переход воздушного потока во времени от состояния, когда возможен захват волн, к состоянию, ГЛАВА б в котором захват невозможен. Нет также описания структуры воздушного потока в случае, когда при неизменном ветре в верхних слоях, дующем поперек хребта, направление ветра в нижних слоях с течением времени меняется от параллельного хребта к поперечному.

Кроме того, возможен случай запирания, а также случай, когда препятствие влияет на набегающий поток, изменяя в нем профиль скоростей. Оба эти случая тоже не укладываются в рамки существующей теории. К первому случаю относится поток, движущийся вниз по склону плато или поднимающийся по нему. Решение можно легко получить из уже рассмотренного выше интеграла (5.13.5) путем интегрирования по х. Тогда профиль, показанный на рис. 5.!3.1, представляет собой производную новой функции 1 — )) ( 11 "1и"«д))= )1 — ю 1 ы, )).19.1) о о «ба сх х 1 б + — пд агс1К вЂ”, 1 б«+х~ б ' (5.19.2) Постоянная интегрирования здесь положена равной нулю, так что ь=О при х=О.

Характеристики

Список файлов книги