Гидродинамическая структура поверхностного слоя на границе раздела вода-воздух
На правах рукописи
ПЛАКСИНА Юлия Юрьевна
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА «ВОДА-ВОЗДУХ»
Специальности 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы,
01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва - 2012
Работа выполнена на кафедрах физики атмосферы и молекулярной физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Научные руководители: доктор физико-математических наук,
профессор Лапшин Владимир Борисович
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет
доктор физико-математических наук,
профессор Уваров Александр Викторович
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук,
профессор Жмур Владимир Владимирович,
Московский физико-технический институт (Государственный Университет), заведующий кафедрой термогидромеханики океана
кандидат физико-математических наук
Чекрыжов Владимир Михайлович
Государственное учреждение Научно-производственное объединение «Тайфун», старший научный сотрудник
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова Российской академии наук.
Защита состоится 20 сентября 2012 года в 1600 на заседании диссертационного совета Д 501.001.63 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория СФА
С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ им. М. В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27)
Автореферат разослан “ 9 ” августа 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат физико-математических наук Смирнов В. Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Исследование энергообмена на границе раздела сред является классической проблемой геофизики, молекулярной физики и инженерных наук. Тепломассообмен происходит через тонкий приповерхностный слой жидкости, который по своим свойствам отличается от объёмного слоя, поэтому знание его структуры важно для постановки правильных граничных условий на границе раздела сред при описании каждой из них с помощью гидродинамических моделей. Современный этап развития этой области науки связан с прогрессом, как в экспериментальных методах исследований, так и в теоретических подходах. Традиционные экспериментальные методы, связанные с измерениями температуры, влажности и скорости ветра и последующем расчете потоков тепла на основе эмпирических формул, в настоящее время очень широко применяются на практике. В лабораторных условиях интегральные потоки могут быть рассчитаны как на основе эмпирических формул, так и с помощью прямых теплофизических измерений. Новые экспериментальные методы, применяемые в лабораторных условиях, позволяют получить гораздо больше информации об изучаемом объекте, однако в некоторых случаях они плохо применимы в натурных условиях. Одним из перспективных направлений в исследованиях межфазных процессов являются методы визуализации, основанные на новых принципах регистрации и компьютерной обработки.
В теоретическом плане происходит переход от простых эмпирических формул расчета, основанных на критериях подобия и эффективных коэффициентах теплопередачи, к более точным моделям, в которых рассчитывается двух- и трехмерные термогидродинамические процессы. Для верификации этих моделей требуются экспериментальные методы, которые позволяют определять мгновенные пространственные характеристики среды. В последние годы стал развиваться теневой фоновый метод (ТФМ). В данной работе он впервые применялся для количественного определения двумерного интегрального поля температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред. В связи с совершенствованием методов и моделей меняется и общий взгляд на процессы энергообмена вблизи поверхности. В одномерных моделях рассматриваются усредненные параметры для холодной (тёплой) пленки (тонкого слоя вблизи поверхности, где формируются значительные температурные градиенты). В рамках этих моделей рассматриваются усредненные характеристики приповерхностного слоя жидкости, в частности, величина усредненного потока и средняя температура поверхности. Реальная структура поверхностного слоя существенно сложнее. Горизонтальная температурная неоднородность поверхности может превышать вертикальный средний перепад температур. Горизонтальная неоднородность является важным фактором формирования приповерхностных вихрей, потому что обеспечивает условия для их циркуляции при испарении с поверхности. Изменение горизонтальной и вертикальной структуры приповерхностного слоя при изменении внешних условий и является основной проблемой данной работы.
Цели и задачи диссертационной работы
Основной целью данной работы было экспериментальное исследование пространственной структуры приповерхностного слоя жидкости и тепломассообмена в этом слое для построения более точных гидродинамических моделей и последующей их верификации. Исходя из основной цели, поставлены следующие задачи:
- Использование теневого фонового метода для качественного и количественного изучения термической структуры жидкости вблизи границы раздела сред и сопоставление результатов с данными термографии и термозондирования.
- Оценка влияния инерционности термопары в воздухе на искажение начального участка профиля температуры в воде при термозондировании. Экспериментальная проверка критерия подобия контактного и скрытого потоков тепла для мгновенных составляющих потоков тепла в воде и воздухе, полученных при термозондировании.
- Исследование возможностей использования получаемых методами термографии и поверхностного засева частиц полей температур и скоростей на поверхности жидкости для разделения задачи расчёта гидродинамических параметров в воде и воздухе.
- Экспериментальное исследование мгновенных значений температурных полей вблизи поверхности воды с помощью трех экспериментальных методов (термография, теневой фоновый метод и термозондирование) для различных жидкостей.
- Сравнительный анализ термогидродинамики приповерхностного слоя различных жидкостей (вода, этиловый и бутиловый спирты, декан, керосин, глицерин) по результатам экспериментальных исследований.
Научная новизна работы
1. Теневой фоновый метод впервые применен для количественного анализа полей температур для выбранного набора жидкостей вблизи границы раздела сред в лабораторных условиях. Полученные данные свидетельствуют о перспективности применения данного метода, как в лабораторных, так и в натурных условиях.
2. Впервые были проведены совместные измерения полей температур на поверхности слоя жидкости и внутри него с помощью тепловизора и теневого фонового метода. Результаты этих измерений согласуются и дополняют друг друга.
3. Впервые был проанализирован набор жидкостей с разными теплофизическими свойствами и проведено сравнение поверхностных термодинамических структур, возникающих на границе раздела сред.
4. Рассмотрены ограничения метода термозондирования в натурных и лабораторных условиях, связанные с показателем тепловой инерции термопары в воздухе. Предложена новая геометрия термопары, позволяющая снизить величину продавливания поверхности воды при непрерывном зондировании сверху. Проведен анализ подобия мгновенных значений скрытого и контактного потоков тепла в лабораторных условиях.
Научная и практическая ценность работы
Применение ТФМ для исследования термогидродинамики приповерхностного слоя жидкости, а также совместное использование для этих задач ТФМ и термографии позволяет значительно упростить и дополнить методы экспериментальных исследований в рассматриваемой области. Данные термографии позволяют получить необходимую информацию для разделения гидродинамической задачи в воде и в воздухе, что может быть использовано для значительного упрощения численного моделирования. Поля температур, получаемые теневым фоновым методом, могут быть использованы для верификации 2D и 3D гидродинамических моделей. Определение границ применимости метода термозондирования позволяет дать рекомендации по его использованию в практических целях.
Разработана новая задача практикума для студентов на кафедре молекулярной физики: «Задача № 17. Исследование энергообмена на границе раздела «вода-воздух» с помощью теневого фонового метода», и одна из собранных для теневого фонового метода установок используется в ней.
Полученные результаты использовались в работе по грантам РФФИ № 09-08-00961а и № 12-08-01077
Основные положения, выносимые автором на защиту
- Выявлены условия возникновения конвекции Марангони для различных жидкостей (воды разной степени очистки, бутанола, декана, этанола, глицерина). Исследована гидродинамическая структура приповерхностного слоя в жидкости и влияние на эту структуру рэлеевского механизма, механизма Марангони и движения эластичной пленки.
- Показана эффективность применения теневого фонового метода для количественного измерения поля температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред при различных режимах испарения и нагрева.
- Предложена методика получения поля температур в воде вблизи границы раздела сред с помощью совместного использования теневого фонового метода и термографии поверхности, которая может являться основой для нового бесконтактного метода исследования тепломассобмена океана с атмосферой.
- Исследована применимость разных типов граничных условий для описания границы раздела вода-воздух в режиме «эластичной поверхности».
- Исследована структура приповерхностного слоя с использованием модифицированного датчика, позволившего увеличить пространственное разрешение температурного профиля вблизи границы раздела сред с 1 мм до 0,1 мм при термозондировании.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих общероссийских и международных конференциях: 2nd Practical Conference, Sustainable development: system analysis in ecology, (Ukraine, 1996); Первая Всероссийская конференция «Взаимодействие в системе литосфера-атмосфера-гидросфера» (Москва, 1996); Ломоносовские чтения, секция физики (Москва 2009, 2011, 2012); 2nd International Conference on Fluid Mechanics and Heat and Mass Transfer (Greece, 2011); 22nd International Symposium on Transport Phenomena (Netherlands, 2011); Proc. of 15th Int. Symp. Flow Visualization, (Belarus, 2012)
По результатам работы опубликовано 16 работ в научных журналах и сборников трудов всероссийских и международных конференциях. Из них 5 публикаций в реферируемых научных изданиях из списка, рекомендованного ВАК.
Личный вклад диссертанта. Автор непосредственно участвовал в экспериментах, проводимых в натурных условиях. Лабораторные эксперименты разрабатывались и проводились автором работы лично и при участии научных руководителей. Обсуждение и интерпретация результатов проводились совместно с другими соавторами публикаций. Таким образом, все основные результаты диссертации были получены соискателем лично или при его непосредственном участии.
Достоверность. Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обусловлена использованием современной экспериментальной техники, независимым сравнением результатов различных методов, соответствием экспериментальных результатов теоретическим расчетам.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем 161 страница, в том числе 62 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 110 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, её научная новизна и практическая ценность. Формулируются цели работы и постановка научной задачи. Излагаются основные положения, выносимые автором на защиту.
В первой главе дается обзор имеющихся результатов, как по экспериментальным методам, так и по теоретическим моделям, используемым при анализе энергообмена на границе раздела сред. В обзоре основное внимание уделяется двум вопросам – классической одномерной теории холодной (теплой) плёнки и современным экспериментальным методам, позволяющим получить данные о структуре приповерхностного слоя. Кроме того, рассматривается вопрос о возможностях использования экспериментальных данных для модернизации алгоритмов в гидродинамических расчетах.
В разделе 1.1 дана общая характеристика процессов тепломассообмена на границе «жидкость-газ», «вода – воздух» и «океан-атмосфера».
В разделе 1.2 рассматривается классическая одномерная теория тонкого поверхностного слоя воды на границе раздела с атмосферой, которая описывает усредненный профиль температуры вблизи поверхности. В рамках этой теории рассматривается пограничный слой океана, его особенности и структура, а также возможные механизмы формирования режимов холодной и тёплой плёнки.
В разделе 1.3 описывается пространственная структура приповерхностного слоя воды и её неоднородность как необходимое условие существования холодной плёнки, а также показано влияние атмосферы на формирование приграничного слоя океана.
В разделе 1.4 обсуждаются современные и классические экспериментальные методы исследования тепломассообмена в натурных и лабораторных условиях, а также проведён сравнительный анализ различных методов.
В разделе 1.5 рассматриваются эмпирические формулы для расчетов контактного и скрытого потоков тепла в натурных и лабораторных условиях с использованием критериев подобия. Показаны недостатки эмпирических методов.
В разделе 1.6 обсуждаются возможности численного моделирования тепломассообмена между водой и воздухом без использования эмпирических предположений, а также современные проблемы создания теории поверхностного слоя с учетом его пространственной структуры.
Вторая глава посвящена исследованию границы раздела сред методом термографии. Несмотря на то, что этот метод применяется достаточно давно, в настоящее время возможности этого метода не использованы в полной мере. Тепловизор Flir SC-7700 М позволяет исследовать структуру приповерхностного микрослоя (ПМС) на современном уровне.
В разделе 2.1 рассмотрены экспериментальные исследования режимов существования поверхности. Показано, что возможны разные варианты поверхностной структуры. В этиловом спирте это, в основном, режим конвекции Марангони, а в воде – режим "эластичной поверхности" с большими перепадами температур на поверхности. В таких жидкостях, как бутиловый спирт и декан, возможно появление разных типов поверхностной структуры при незначительном изменении условий эксперимента. На рис. 1 показано возникновение нескольких типов поверхностного слоя в бутиловом спирте при его обдуве со скоростью 1 м/с. Выбор бутилового спирта связан с тем, что его летучесть существенно меньше, чем у этилового спирта, в то время как коэффициент поверхностного натяжения существенно меньше, чем у воды.
Рис. 1 — Демонстрация нескольких типов структуры поверхности бутилового спирта при его обдуве в одном эксперименте
На рис. 1 хорошо видна разница в температурах поверхностного слоя бутилового спирта при различных режимах, что демонстрирует различия в тепловом сопротивлении приповерхностных слоев при наличии и отсутствии термокапиллярной конвекции.
Хорошо известно, что в воде вблизи поверхности происходит формирование неоднородного температурного поля со значительными градиентами температуры в узких областях, которые могут быть названы «холодными нитями». Эта структура связана с приповерхностными вихрями, которые формируют такой температурный профиль за счет испарения и движения жидкости вблизи поверхности. Показано, что такие холодные нити непосредственно не связаны с рэлеевскими вихрями. На рис. 2 представлена картина температурного поля поверхности воды в бассейне и в чашке Петри, наполненной водой и плавающей на поверхности бассейна. Вихри в чашке Петри гидродинамически изолированы от вихрей в бассейне. Холодные нити на поверхности воды выстраиваются по температурному полю, то есть появление температурного минимума на стенке чашки за счет холодных нитей внутри чашки Петри приводит к смещению системы холодных нитей в бассейне и наоборот.
Рис. 2 — Термическая структура поверхности тёплой воды в бассейне и в чашке Петри, находящейся на его поверхности
В то же время, поверхностная система вихрей не может существовать без подпитывающей ее системы рэлеевских вихрей. Холодные нити исчезают при глубине жидкости менее 5 мм, а при глубине менее 3 см исчезают спиралевидные завихрения на поверхности, связанные с холодными нитями и появлением крутящего момента сил поверхностного натяжения (их впервые наблюдал Ю. Л. Черноусько в 1971 г). С помощью засева поверхности жидкости легкими частицами, было показано, что в режиме отсутствия термокапиллярной конвекции верхний слой практически неподвижен, в то время как при совместной конвекции Релея и Марангони частицы сбиваются в места опускания холодной жидкости. Кроме того, при неподвижной или слабоподвижной верхней пленке воды можно наблюдать движение «холодных нитей», (на глубине не более 100 мкм) со скоростью порядка нескольких мм/с. В. этом разделе также проводиться проверка применимости различных граничных условий на границе раздела вода-воздух.
В разделе 2.2 рассматриваются теоретические аспекты проблемы. Показано, что температурное поле позволяет определить и градиенты скорости вблизи поверхности и сами скорости из теории ламинарного погранслоя, которые хорошо согласуются с измерениями PIV (Particle Image Velocimetry). Толщина погранслоя по скорости оказывается порядка 0,1 мм, что подтверждается и экспериментально. Рассмотрен вопрос о нелинейной стабилизации слоя за счет изменения числа Нуссельта при возникновении конвекции Марангони. Показано, что, помимо молекулярного режима теплообмена и термокапиллярной конвекции, может существовать еще один нелинейный режим с увеличенным тепловым сопротивлением по сравнению с режимом термокапиллярной конвекции. Анализ погранслоя вблизи поверхности на основе данных термографии и термографии с засевом легких частиц позволяет оценить поле скоростей в погранслое вблизи границы раздела сред. Показано, что нелинейные члены в уравнении Навье-Стокса для слоя воды вблизи границы раздела «вода-воздух» могут приводить к изменению периодичности приповерхностных вихрей по сравнению с рэлеевскими.
Данные термографии в сочетании с засевом поверхности позволяют в режиме термокапиллярной пленки разделить гидродинамическую задачу – знание поля температур, влажностей (исходя из гипотезы о квазистационарности процесса испарения) и скоростей на поверхности в разные моменты времени позволяет решить независимо задачу для воздуха с водяным паром без каких-либо эмпирических предположений о величине тепловых потоков. Термогидродинамические расчеты для жидкости при использовании данных термографии также могут быть сделаны независимо от расчетов в воздухе.
Третья глава посвящена использованию теневого фонового метода (ТФМ) для исследования температурных полей в жидкости вблизи границы раздела сред, а также его совместному применению с термографией поверхности. Простота применения обоих методов открывает широкие возможности для их использования в геофизике и инженерных приложениях.
В разделе 3.1 описывается экспериментальная установка для ТФМ и его основные принципы. На рис. 3 представлена схема установки и вариант используемого в эксперименте фона.
Рис. 3 — Схема установки ТФМ и вариант используемого фона: «хаотичный точечный шум»
Метод отличается простотой реализации, и все трудности связаны с компьютерной обработкой результатов. В работе для обработки данных используется оригинальный алгоритм и компьютерная программа, разработанная на кафедре молекулярной физики физического факультета МГУ с.н.с. к.ф.-м.н. Н. А. Винниченко. ТФМ тестируется на простых режимах: ИК–нагрев воды сверху и испарение спирта в кювете. С помощью ТФМ можно получать двумерные поля температур, усреднённые по толщине рассматриваемого объекта.
Раздел 3.2 посвящен исследованиям в небольших кюветах, когда числа Рэлея невелики. Рассматривались остывание воды, испарение, установление равновесия после прекращения испарения. Температуры, определённые теневым фоновым методом в реперных точках, согласуются с измеренными термопарой с точностью не менее чем 0,1 ОС. Пространственное разрешение метода связано с оптическими характеристиками камеры и размерами используемой в ней матрицы. В нашей работе пространственное разрешение проверялось с помощью спектральных компьютерных тестов и составило величину 30
30 пикселей, что составляет в разных экспериментах от 0,1 мм до 0,5 мм по вертикали и горизонтали. Такое разрешение не является предельно возможным. Установлено также, что ТФМ не разрешает верхний слой жидкости порядка миллиметра вблизи поверхности из-за оптических поверхностных эффектов и наличия мениска, который не учитывается при обработке. Это никак не влияет на точность расчета температурного поля, потому что поле калибруется по температуре вблизи дна.
В разделе 3.3 рассмотрена конвекция в бассейне с размерами 31см
16см
25см. Увеличение числа Рэлея на 3 порядка приводит к изменению характера конвекции. На рис. 4 представлена типичная картина температурного поля при остывании воды.
Рис. 4 — Изменение температурного поля в воде с течением времени. Высота видимого столба воды 7,4 см, ширина 30 см, толщина 15,1 см.
По вертикали и горизонтали отложены количество зон опроса, каждая зона размером в 5 пикселей, сбоку дана цветовая температурная шкала в градусах Кельвина. Температура воды в начале эксперимента — 30,5ОС, воздуха — 22,8 ОС, влажность 16 %. Расстояние от середины бассейна до фона 207 см, а до объектива — 93 см
В разделе 3.4 рассмотрен эксперимент с одновременной фиксацией температурного поля теневым фоновым методом и термографией поверхности. На рис. 5 представлено сравнение полей температур полученных тепловизором и ТФМ в момент всплытия термика в кювете размером 3см
5см
1,8см.
a) 
б)
в)
Рис. 5 — Сравнение полей температур, полученных тепловизором и ТФМ. а) поле температур поверхности воды в кювете, полученное тепловизором, б) поле температур в воде, усреднённое по толщине кюветы, в плоскости перпендикулярной поверхности воды, по вертикали и горизонтали отложены количество зон опроса, каждая зона размером в 5 пикселей, сбоку дана цветовая температурная шкала в градусах Кельвина. в) профили температуры, усреднённые по толщине кюветы, на расстоянии порядка 1 мм от поверхности воды (ТФМ, синий график) и непосредственно на поверхности (интегрируемый слой не превышает 100 мкм, тепловизор, розовый график)
Из рисунка видно, что эти данные очень хорошо коррелируют между собой. На рис. 6 представлены результаты анализа температурных полей в этиловом спирте при наличии поверхностной структуры.
Рис. 6 — Сравнение полей температур, полученных тепловизором и ТФМ в кювете. Слева поле температур поверхности спирта в кювете, полученное тепловизором, справа поле температур в спирте, усреднённое по толщине кюветы, в плоскости перпендикулярной поверхности воды на девятнадцатой секунде после снятия крышки с кюветы. По вертикали и горизонтали отложены количество зон опроса, каждая зона размером в 5 пикселей, сбоку дана цветовая температурная шкала в градусах Кельвина. Внизу: профили температуры, усреднённые по толщине кюветы, на расстоянии порядка 1 мм от поверхности спирта (ТФМ, синий график 1) и непосредственно на поверхности (интегрируемый слой не превышает 100 мкм, тепловизор, розовый график 2)
Поле температур, фиксируемое с помощью ТФМ, позволяет определить глубину этих нитей. В бассейне с водой за счет значительной длины интегрирования усреднение по одной координате приводит к потере части информации о структуре трехмерного температурного поля, тем не менее, сравнение усредненных значений дает очень хорошую корреляцию результатов ТФМ и термографии (рис. 7).
Рис. 7 — Профили температуры поверхности воды, усреднённые по толщине бассейна через 25 с и 45 с после снятия крышки. Синий график —ТФМ, расстояние 1 мм от поверхности, розовый график — тепловизор, верхние 100 мкм
Таким образом, теневой фоновый метод по своим характеристикам очень хорошо подходит не только для качественного, но и для количественного анализа температурных полей в приповерхностном слое. Дополнение ТФМ термографическими измерениями позволяет получить достаточно полное представление о температурном поле.
В четвёртой главе рассматриваются лабораторные и натурные исследования прилегающих к границе раздела слоёв воды и воздуха методом термозондирования. Основное внимание уделено не хорошо известным результатам по усреднению температурных профилей, а на экспериментах по исследованию неоднородности приповерхностного слоя, условий применимости метода термозондирования, а также исследованию подобия контактных и скрытых потоков для их мгновенных значений. Показано, что, несмотря на сложность использования данного контактного метода, при определенных условиях он может давать информацию о мгновенных значениях потоков вблизи поверхности как в воде, так и в воздухе.
В разделе 4.1 рассматривается вопрос о применимости градиентного метода, поскольку результаты предыдущих глав указывают на существование значительных горизонтальных гидродинамических потоков уже на глубине порядка 100 мкм. Этот факт делает невозможным прямое использование стационарных термометров, поскольку они меняют структуру потока, однако применение термозондирования оказывается возможным, и до глубины порядка 1 мм можно считать, что тепловой поток определяется, в основном, молекулярным переносом из-за малой вертикальной составляющей скорости. Горизонтальная компонента скорости приводит к неоднородному распределению потока по поверхности, но слабо меняет интегральный вертикальный поток тепла.
В разделе 4.2 описываются лабораторные измерения вблизи границы раздела «вода-воздух» методом непрерывного термозондирования. Рассмотрен вопрос о влиянии инерционности термопары в воздухе на регистрируемые профили температуры. Проведены как экспериментальные измерения показателя тепловой инерции, так и теоретические расчеты с помощью стандартных инженерных формул. Установлено, что показатель тепловой инерции в воздухе сильно влияет на точность температурного профиля в воздухе и в воде, особенно в условиях, когда в воздухе существует устойчивая стратификация у поверхности раздела сред. Подобрана скорость и геометрическая форма термозонда для оптимизации измерений в лабораторных условиях. Показано, что в лабораторных условиях средние значения мгновенных потоков тепла хорошо согласуются с расчётами по модели ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) для средних значений потоков и со средними потоками, определёнными с помощью инженерного метода баланса потоков тепла, однако отклонения мгновенных значений потоков тепла от средних достигают 20%. Рассмотрено соотношение суммарного и контактного потоков тепла с точки зрения гипотезы Боуэна. Показано, что величины суммарного и контактного потоков тепла, измеренные градиентным методом, хорошо согласуются с предположением о подобии скрытого и контактного потоков тепла по Боуэну.
В разделе 4.3 приводятся примеры натурных измерений, выполненных с участием автора в экспедициях на Чёрное море. Сравнение результатов экспериментальных исследований суммарного потока тепла методом термозондирования со средними теоретическими значениями, рассчитанными по модели COARE (Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment), показывает, что, несмотря на значительные отклонения мгновенных потоков тепла от средних значений (порядка 100 %), при усреднении эти результаты хорошо соответствуют друг другу для ситуации, когда температура воды выше температуры воздуха и в воздухе возникает неустойчивая стратификация. Это соответствие вполне закономерно, поскольку при построении модели COARE использовались, в том числе, и результаты измерений, аналогичных нашим, полученные на кафедре физики атмосферы физического факультета МГУ для акватории Черного моря. Однако стоит отметить, что в некоторых случаях, например, при апвеллинге, соответствие не наблюдается по причине плохой применимости метода термозондирования при данном соотношении температур 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 ВЫВОДЫ
1. С помощью использования набора различных жидкостей с разными характеристиками (глицерин – вода – декан – бутиловый спирт – этиловый спирт), такими как давление насыщенных паров, коэффициент поверхностного натяжения и вязкость, было показано методом термографии поверхности, что эти свойства, в сочетании с условиями эксперимента (влажность, температура жидкости и воздуха, наличие обдува), определяют возникновение двух различных гидродинамических режимов на поверхности, связанных с существованием или отсутствием конвекции Марангони.
2. С помощью засева легких частиц на поверхность и термографии в лабораторных условиях показано, что в воде наблюдаются значительные градиенты горизонтальной скорости по вертикальной оси. Это приводит к появлению движения жидкости на глубине порядка 100 мкм при практически неподвижном верхнем слое.
3. Анализ граничных условий показал, что ни одно из применяемых граничных условий в настоящее время не может в общем случае описать структуру поверхности воды.
4. Впервые теневой фоновый метод был использован для определения полей температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред. Рассмотрены как задачи испарения, так и задачи нагрева поверхности ИК – излучением. Показано, что точность метода не хуже 0,1 ОС, с разрешением по пространству 0,1–0,5 мм. Измерения теневым фоновым методом в отдельно взятых точках совпадают в пределах погрешности с измерениями термопарой.
5. Разработана методика фиксации поля температур, основанная на одновременном использовании теневого фонового метода и термографии поверхности, которая позволяет получить подробное поле температур в слое жидкости вблизи поверхности (расчеты проводились для этилового спирта и воды) и провести сравнение двух методов в слое вблизи границы. Получено полное соответствие методов.
6. Установлено, что метод термозондирования может использоваться без дополнительной корректировки профиля только при наличии неустойчивой стратификации в воздухе. С помощью модифицированного датчика температуры показано, что гипотеза Боуэна о подобии контактного и скрытого потоков тепла хорошо выполняется в лабораторных условиях для мгновенных значений, что позволяет в ряде случае существенно упростить расчеты.
7. Показано, что в натурных и лабораторных условиях дисперсия мгновенных значений потоков тепла, полученных с помощью термозондирования, достигает 100 % в натурных и 20 % в лабораторных условиях от величины эмпирических расчетов потоков тепла, получаемых из измерений температуры и влажности на разных горизонтах. Однако усредненные по времени величины находятся в хорошем соответствии, что свидетельствует о сильной неоднородности рассматриваемого поверхностного слоя.
Работа выполнена с использованием оборудования, приобретённого за счёт средств Программы развития Московского университета.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Основные положения диссертации представлены в следующих публикациях
В публикациях из списка ВАК
- Караваева Е. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю., Твердислов В. А, Хунджуа Г. Г. Натурные исследования неравновесных процессов на границе море-атмосфера, связанных с экологическими проблемами. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 1998, № 4, С. 30–33.
- Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Натурные регистрации смены режимов тепломассообмена между морем и атмосферой в береговой зоне. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2009, № 2, С. 117–118.
- Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Исследования смены режимов тёплой и холодной плёнки в лабораторных условиях.// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон., 2009, № 3, С. 117–119.
- Vinnichenko N. A., Uvarov A. V., Vetukov D.A., Plaksina Yu. Yu. Direct computation of evaporation rate at the surface of swimming pool // Proceedings of the 2nd International Conference on Fluid Mechanics and Heat and Mass Transfer. 2011. Corfu, Greece. P. 120–124.
- Plaksina Yu. Yu., Uvarov A. V., Vinnichenko N. A., Lapshin V. B. Experimental investigation of near-surface small-scale structures at water-air interface: Background Oriented Schlieren and thermal imaging of water surface. // Russian Journal of Earth Sciences, 2012, V. 12, N 4, ES4002 (8p.) URL: http: //elpub.wdcb.ru/journals/rjes/v12/2012ES000517/ 2012ES000517.pdf
В других публикациях
- Karavayeva E. V, Ushakova (Plaksina) Yu. Yu, Yakovenko L. V. Dynamics of the thin sea-surface layer and its possible impact on ecology. // Sustainable development: system analysis in ecology, 2nd Practical Conference, Ukraine, 1996, P. 67–68.
- Karavayeva E. V, Ushakova (Plaksina) Yu. Yu, Yakovenko L. V. Correlation of pH, Ion fractionation coefficients and temperature gradients in the sea thin surface layer. // Annales Geophys., 1996, supp 2, V. 14, P. 446.
- Караваева Е. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г., Яковенко Л. В. Натурные исследования зависимости ионного состава тонкого поверхностного слоя моря и морского аэрозоля от градиента температуры в холодной плёнке. // Первая Всероссийская конференция «Взаимодействие в системе литосфера-атмосфера-гидросфера» Москва, 1996, С. 49.
- Караваева Е. В., Ушакова (Плаксина) Ю. Ю, Яковенко Л. В., Аксёнов В. Н., Андреев Е. Г. Корреляции между неравновесными физико-химическими процессами на границе раздела океан-атмосфера. Натурные исследования. // В сб.: Нелинейные явления в открытых системах М.: ГосИФТП, 1997, С.120–129.
- Аксёнов В. Н, Хунджуа Г. Г., Демчук И. С., Плаксина Ю. Ю. Режимы тепломассообмена между океаном и атмосферой при апвеллинге. // Препринт № 11. М.: МГУ, 1999
- Андреев Е. Г., Плаксина Ю. Ю., Аксёнов В. Н., Аксёнов С. Н. Вертикальный профиль температуры в пограничных слоях воды и воздуха при свободной и вынужденной конвекции. // Ломоносовские чтения-2009, Москва, С. 220–221.
- Уваров А. В., Винниченко Н. А., Плаксина Ю. Ю. Исследование энергообмена на границе раздела вода-воздух: теневой фоновый метод и численное моделирование. // Ломоносовские чтения – 2011, Москва, С. 235–237.
- Плаксина Ю. Ю., Аксенов В. Н., Андреев Е. Г., Уваров А. В. Использование экспериментальных градиентных методов для определения потоков тепла с водной поверхности. Ломоносовские чтения – 2011. Москва, С. 224–226.
- Vinnichenko N. A., Uvarov A. V., Plaksina Yu. Yu., Vetukov D. A.. Study of evaporation from water reservoir // 22nd International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-22), 2011, Delft, Netherlands, N20 (11 p). URL: http: //www.istp-22.org/proceedings/proceedings/documents/20.pdf
- Плаксина Ю. Ю., Винниченко Н. А, Лапшин В. Б., Уваров А. В. Анализ конвективного движения воды и воздуха вблизи границы раздела сред. // Ломоносовские чтения – 2012. Москва, С. 126–128.
- Vinnichenko N. A., Uvarov A. V., Plaksina Yu. Yu. Accuracy of background oriented schlieren for different background patterns and means of refrection index reconstruction. // Proc. of 15th Int. Symp. Flow Visualization (ISFV-15), 2012, Minsk, Belarus, P. 81.
