Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и объект исследований 9
1.1. Теории возникновения смерчей 9
1.2. Условия образование торнадо, его развитие и строение 10
1.3. Отечественные и зарубежные исследования, посвященные проблеме смерчей 18
1.4. Объект исследования 30
2. Экспериментальные установки и методики определения термогазодинамических параметров 33
2.1. Описание экспериментальных установок 33
2.2. Методики определения термогазодинамических параметров в смерчах 39
2.3. Методика определения яркостной температуры в огненном смерче с помощью тепловизора 44
2.4. Оптические методы определения влияния высокотемпературной среды на распространение излучения 49
2.5. Методы обработки результатов измерений 52
3. Физическое моделирование огненных смерчей 60
3.1. Выбор определяющих процесс параметров и критерии подобия решаемой задачи 60
3.2. Физическое моделирование огненных смерчей в лабораторных условиях 68
3.3. Термогазодинамические характеристики огненного смерча. Температура на оси симметрии и величина тепловых потоков 73
3.4. Измерения параметров смерча в инфракрасной области излучения 81
3.5. Измерения геометрических размеров смерча в видимом диапазоне 85
4. Физическое моделирование тепловых смерчей 94
4.1. Исследования тепловых смерчей в лабораторных условиях. Результаты экспериментов и их обработка 94
4.2. Исследование влияния акустических возмущений на возникновение и эволюцию теплового смерча 106
4.3. Сравнение и анализ механизмов возникновения и распада огненных и тепловых смерчей 115
Выводы 122
Список использованной литературы 124
- Отечественные и зарубежные исследования, посвященные проблеме смерчей
- Методика определения яркостной температуры в огненном смерче с помощью тепловизора
- Термогазодинамические характеристики огненного смерча. Температура на оси симметрии и величина тепловых потоков
- Исследование влияния акустических возмущений на возникновение и эволюцию теплового смерча
Введение к работе
Огненные смерчи есть разновидность атмосферных смерчей и являются примером экологических природных катастроф, приносящих огромные разрушения [1-3]. Как показывают наблюдения за природными огненными смерчами, возникающими при крупных лесных пожарах, массовых пожарах в городах, материнское облако образуется в результате мощной дымовой конвективной колонки, сопровождаемой кучевыми облаками. Это облако попадает, например, в область между циклонным и антициклонным вихрями, которые сообщают ему вращательный момент инерции. Вращающееся материнское облако подпитывается энергией завихренной конвективной колонки массового пожара и порождает воронку и атмосферный огненный смерч. На оси симметрии вихря вследствие конвективного теплового потока создается область пониженного давления из-за более высокой температуры [4]. Парадокс существования смерча заключается в том, что он представляет собой устойчивую с точки зрения гидродинамики, структуру. Хотя закрутка газа или жидкости должна приводить к уширению струи, увеличению ее ядра, и уменьшению дальнобойности из-за центробежных сил, к турбулизации течения [5]. Размеры материнского облака достигают 200-300 м в диаметре и до 1200 м высоты. Высота огненного смерча может достигать 10 км.
Лабораторными исследованиями смерчей-вихрей в газе и в жидкости занимаются давно, как в нашей стране, так и за рубежом. Однако самые интенсивные и локализованные атмосферные вихри торнадо являются одновременно самыми неизученными. В литературе мало работ, посвященных экспериментальному исследованию огненных смерчей.
Цель работы - проведение экспериментального исследования огненных и тепловых смерчей в лабораторных условиях, сравнение полученной физической модели с натурными явлениями. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
1. Обзор публикаций и создание экспериментальных установок для моделирования огненных смерчей в лабораторных условиях несколькими независимыми способами.
2. Проведение экспериментальных исследований, выбор критериев подобия процессов течения и теплообмена газа в огненных и тепловых смерчах и их численное определение.
3. Сравнительный анализ огненных смерчей, полученных при сгорании разных типов горючих материалов.
4. Выяснение механизма формирования, функционирования и устойчивости смерчей.
5. Сравнение полученных физических моделей огненных и тепловых смерчей с натурными явлениями и теоретическими исследованиями.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Разработаны и созданы стенды для моделирования огненных и тепловых смерчей в открытом пространстве в лабораторных условиях.
2. Выяснен механизм течения и теплообмена газа в огненных и тепловых смерчах на основании экспериментальных данных по гидродинамической структуре течения газа в вихрях.
3. Рассчитаны и определены критерии возникновения и эволюции огненных и тепловых смерчей.
4. Исследованы восприимчивости смерчей к малым энергетическим возмущениям - акустическим колебаниям.
На защиту выносятся следующее:
1. Конструкции и установки, на которых несколькими независимыми способами были получены огненные и тепловые смерчи в открытом пространстве. Возможность физического моделирования смерчей в лабораторных условиях. 2. Экспериментальные результаты определения термогазодинамических параметров течения газа и теплообмена в огненных и тепловых смерчах на основе использования упомянутых ранее установок.
3. Механизм процесса формирования и устойчивости смерчей.
4. Возможность управления и разрушения теплового смерча малыми энергетическими возмущениями, акустическими колебаниями в лабораторных условиях.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что в диссертационной работе, проведен комплекс экспериментальных исследований огненных и тепловых смерчей, часто возникающих в приземном слое атмосферы, при различных природных (лесные и степные пожары) и техногенных (горение нефти, разлитой по различным типам подстилающей поверхности и горючего газа, при разрыве нефте- и газопроводов) катастрофах с учетом взаимосвязи движения горючих жидкостей и газов и их горения с образованием огненного столба, перемещающегося по поверхности горючего материала. Наконец, в результате экспериментальных исследований смерчей построена физическая модель процесса и выяснены механизмы формирования и устойчивости вихрей этого типа, что позволит предложить новые способы борьбы с ними.
Достоверность экспериментальных результатов работы обеспечена использованием различных независимых методик определения термогазодинамических параметров в смерчах, статистической обработки результатов измерений и их сравнением с некоторыми экспериментальными и теоретическими данными российских и зарубежных авторов, опубликованными в научной литературе и в том числе данными результатов наблюдений за реальными массовыми пожарами в Гамбурге [6].
Теоретическая и практическая значимость, а также перспективность работы получили признание в России как имеющие важное значение в соответствующей области знаний и подтверждены финансовой поддержкой в гранте 130327 в ведомственной программе Министерства образования и науки РФ Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмма по разделу 3.3 «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов», проект «Экспериментальное исследование огненных смерчей», 2005 г., в гранте РФФИ 05-01-00201-а «Математическое моделирование возникновения и распространения огненных смерчей», 2005-2007 гг., и дипломом в «Всероссийском открытом конкурсе на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам студентов высших учебных заведений Российской Федерации» по разделу «Гражданская оборона. Безопасность в чрезвычайных ситуациях», 2004 г.
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробировались на 10 международных и региональных конференциях, в том числе Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004), XI Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean optics. Atmspheric Physics" (Томск, 2004),
th
XIII Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005), 5 International Seminar on Flame Structure (Новосибирск, 2005), Международном научно-техническом симпозиуме "Образование через науку" (Калуга, 2005), IX Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование" (Томск, 2005), Международной конференции "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (Иркутск, 2005), Международной научно-практической конференции "Снежинск и наука - 2006" (Снежинск, 2006), Международной конференции «Пятые Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2006). XIII Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" (Томск, 2006).
По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в центральной печати в журналах, рекомендованных ВАК. Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики
механико-математического факультета Томского государственного
университета и в лаборатории распространения волн ИОА СО РАН.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 95 наименований на русском и иностранных языках. Работа содержит 132 страницы текста, 40 рисунков и 20 таблиц.
В первой главе дается краткий обзор как российских, так и зарубежных ученых по проблеме формирования и функционирования вихрей типа торнадо и огненных смерчей, схожих друг с другом. Рассмотрены основные модели вихревых структур (модели Рэнкина и Бюргерса), которые качественно отражают основные особенности концентрированных вихрей.
Во второй главе в разделе 2.1 описаны экспериментальные установки, разработанные для моделирования огненных и тепловых смерчей. Моделирование огненных смерчей осуществлялось в лабораторных условиях с помощью трех независимых способов, основанных на закрутке восходящего конвективного потока продуктов сгорания нефти (моделирование горения нефти разлитой по поверхности почвы), конструкций из дерева (моделирование пожаров в населенных пунктах) и лесных горючих материалов (моделирование лесных пожаров). Конвективный поток закручивался вращением нижнего основания подложки с горючими материалами, сверху вращающимися лопастями вентилятора и сбоку с помощью воздушного потока, генерируемого аэродинамической трубой МТ-324.
Отечественные и зарубежные исследования, посвященные проблеме смерчей
Последствиями атомной бомбардировки Хиросимы [6] и массированных бомбежек Гамбурга и Дрездена стали исключительно опасные продолжительные неуправляемые пожары. Примерно через полчаса после множественных одновременных возгораний (в условиях города, плотно насыщенного горючими материалами), вызванных либо предварительным лучистым нагревом и ударно волновым разрушением, либо контактом горящего магния с бензиновым гелем из разрушенных емкостей, пламена сливались, образуя достаточно однородно горящую площадь, составляющую много квадратных километров. Хотя скорость атмосферного ветра была меньше 4 м/с, огненная масса порождала радиально сходящиеся ветры на уровне улиц со всех направлений. Примерно через 2-3 ч после бомбардировки эти ветры достигли максимальной скорости около 20 м/с, а по некоторым оценкам профессиональных пожарных, до 50 м/с. Радиально сходящиеся ветры, по видимому, препятствовали распространению огня за первоначально подожженную область, хотя в ней сгорало практически все, что может гореть, прежде чем скорость ветра упала до умеренной, а его направление стало переменным (примерно через 6 ч после начала пожара). Единственный огромный центральный конвективный столб, в который втекали горячие продукты сгорания, поднялся на высоту около 10 км. Такой редкий не распространяющийся пожар, столь отличный от более обычных пожаров, распространяемых атмосферным ветром, называется огненным смерчем. В приводимой здесь интерпретации термин «огненный смерч» представляется удачным. В обычном метеорологическом контексте циклон означает циклонический ветер вокруг центра с пониженным приповерхностным давлением с выпадением осадков в результате конвективно-индуцированной адвекции (т.е. в результате вызванного свободной конвекцией подъема и насыщения теплого влажного воздуха), при этом имеют место: 1. Радиальный приток массы в силу условия неразрывности; 2. Возможное сопутствующее закручивание потока при сохранении углового момента, связанного с вращением Земли или с локальным циркуляционным возмущением. Следовательно, огненный смерч есть «тепловой циклон» [6] или циклон среднего масштаба (мезоциклон), свободная конвекция в котором вызвана экзотермичностью горения, а не конденсацией водяного пара. Подобно тому, как огненные смерчи являются исключительными явлениями, так и мезоциклоны (ураганы с организованным вращением воздушной массы, называемые еще смерчами) являются редкими по сравнению с полным числом гроз и характеризуются горизонтальным масштабом в несколько километров и продолжительностью около 6 ч. Кроме того, аналогично мезоциклонам, характеризуемым ливневыми облаками, занимающими в высоту всю тропосферу вплоть до тропопаузы, для огненного смерча типичен конвективный столб, поднимающийся исключительно высоко, например до 10 км, как это было в Гамбурге, после его бомбардировки военно-воздушными силами США в 1944 году.
Наблюдение заметного радиального притока на малых высотах со всех направлений к основанию центрального конвективного столба подтверждает (а не противоречит) вращательный в основном характер движения массы воздуха. Исследование приповерхностного слоя с притоком вблизи центра энергично вращающейся массы воздуха над некоторой фиксированной плоской поверхностью показывает, что вблизи Земли сильнее чисто вращательное движение сменяется на столь же мощный, чисто радиальный приток, хотя непосредственно у поверхности выполняется условие прилипания.
В 1926 году в США в Калифорнии в результате удара молнии в огромное нефтехранилище произошел сильный взрыв, и загорелась нефть. Горение разлитой нефти продолжалось 5 дней. Свободно конвективный факел поднялся на огромную высоту. Максимальной силы пожар достиг на второй день, и именно в этот день наблюдалось образование наибольшего числа смерчей. Механизм образования был следующий: после вспышки нефти образовалось горячее облако из нагретого воздуха и сажи, которое ветром сносилось в сторону от очага горения. После этого на нижней поверхности облака вихревые спиральные токи воздуха создавали материнское газовое облако меньших размеров, из которого и возникала воронка атмосферного смерча [1]. Эммонс и Лонг отметили, что наличие радиального притока вблизи поверхности не противоречит быстрому вращению на большей высоте. Здесь предпринята попытка, найти количественный критерий возникновения огненного смерча. Можно заметить, что хорошо известная в явлении огненных вихрей тенденция свободно горящего огня распространяться скачками на большие расстояния посредством разлетающихся переносчиков пожара наводит на мысль, что пространственно ограниченный характер зафиксированных огненных смерчей может иметь исключения.
Смерч - катастрофическое атмосферное явление, которое представляет собой часть грозового облака и сопровождается быстрым вращением некоторых частиц среды, сначала в самом грозовом облаке, а затем в приповерхностном слое атмосферы. Огненный смерч сопровождается заметным радиальным притоком воздуха со всех направлений к основанию центрального конвективного столба и возможным сопутствующим закручиванием потока. В кучевых облаках и материнском облаке вследствие снижения температуры и охлаждения продуктов сгорания наблюдаются процессы конденсации влаги и выпадение осадков.
Наиболее полный обзор экспериментальных исследований вихревых течений дан в статье Максу орси Т. [7]. Закрутка потока, как правило, с помощью стенок и торцов и течение развивалось в ограниченной области. Впервые вихрь, закрученный сверху, наблюдал Н.Е. Жуковский [13]. Вращением лопастей вентилятора, расположенных под углом к оси симметрии, обеспечивали формирование парового смерча с поверхности горячей воды. Высота смерча достигала 3 м.
Тангенциальная закрутка жидкости или газа через щели в стенке цилиндрической камеры обеспечивает формирование наиболее устойчивых вихревых образований за счет дополнительного градиента давления, направленного от стенки к оси симметрии, однако такой способ закрутки обладает рядом недостатков, так как не позволяет ответить на вопрос о роли радиального перемещения массы газа к смерчу из окружающей среды.
Оригинальный способ получения парового смерча описан в статье Б.А. Луговцова [7]. Емкость с горячей водой была наклонена под углом к горизонтальной поверхности. Параллельно горизонтальной поверхности натекал воздушный поток, который, отражаясь от стенки емкости, формировал вихрь пара, устремляющийся вверх.
Методика определения яркостной температуры в огненном смерче с помощью тепловизора
Первое условие необходимо для исключения из показаний датчика краевых эффектов, вызванных ограниченностью чувствительного элемента. Второе условие выставляется для того, чтобы можно было пренебречь внутренним температурным сопротивлением калориметра по сравнению с внешним и считать распределение температуры в теле чувствительного элемента однородным. Третье условие необходимо для достижения малой тепловой инерции калориметра, чтобы его полоса пропускания частот надежно включала частоту изучаемого процесса.
Линейная скорость газа vz в направлении оси Oz (Рисунок 4) и тангенциальная vT, измерялись термоанемометрическим методом [34], пневмометрическим методом с помощью трубки Пито диаметром 2-Ю м [30] и регистрацией траекторий движения мелкодисперсных частиц алюминия, вводимых в поток в направлении тангенциальной скорости вращения вихря [17]. Время экспозиции фоторегистрирующего устройства т = 0,008 с [35]. Обработка фотопленки осуществлялась на микрофотометре трека светящейся частицы алюминия; v = vz + vT. Также регистрация траектории движения частиц осуществлялась с помощью цифрового фотоаппарата марки Pentax Optio S45 после чего кадры обрабатывались на компьютере с использованием программы Adobe Photoshop.
Определение скорости горения rh = ——, где Am - убыль массы, Ат время горения нефти, лесных горючих материалов и фрагментов зданий, осуществлялось с помощью их взвешивания и измерения времени горения Ат секундомером типа СЭЦ. Дополнительно проводилась регистрация процессов горения и образования огненных смерчей телевизионной камерой Sony.
В воздушных потоках с успехом используется метод тепловой анемометрии [36] при экспериментальном исследовании турбулентности, основанный на эффекте охлаждения потоком тонкой короткой платиновой нити, разогреваемой электрическим током. Датчик образует одно плечо моста Уинстона, другое плечо состоит из набора сопротивлений. Мост питается через усилитель, на вход которого подается возникающее напряжение разбаланса моста. Замкнутая петля обратной связи образует следящую систему. Если мост разбалансирован, то на входе усилителя появится напряжение. Это напряжение поступает снова на мост в качестве питающего напряжения моста. Усилитель включен так, что напряжение на выходе усилителя растет, когда сопротивление датчика мало. Это вызывает увеличение тока, текущего через датчик. Датчик будет нагреваться, в результате увеличится сопротивление датчика, а это, в свою очередь, вызовет уменьшение разбаланса моста. Прибор автоматически настраивается на определенную температуру датчика, которая для заданного датчика зависит только от установки набора сопротивлений в настраиваемом плече моста. Мгновенная величина электрической мощности равна мгновенным тепловым потерям датчика.
В равновесном состоянии по электрическому сопротивлению нити можно судить об осредненной скорости потока. По отклонениям от равновесия в компенсационной схеме (колебания шлейфа осциллографа, помещенного в нулевую ветвь моста) можно судить об интенсивности пульсаций скорости в потоке и записать эти пульсации в некотором масштабе.
В данной работе для измерения скорости газовоздушных потоков использовали термоанемометр [37, 38], принцип действия которого связан с использованием конвективного уноса тепла движущейся средой от нагретой поверхности. Чувствительным элементом такого анемометра является
нагретая проволока (нить) из платины диаметром 2-Ю м, длиной 6-10 м [34]. Нагрев элемента обычно осуществлялся проходящим через нее постоянным током или проходящим через нее током с поддержанием постоянной температуры элемента. Иногда можно встретить конструкции с косвенным подогревом измерительной проволоки. Для определения скорости потока в приборе измеряется конвективный унос тепла от проволоки, который является функцией от скорости движения, омывающей элемент среды. Тарировка термоанемометра проводилась в рабочей части аэродинамической трубы МТ-324 с установленным в фор-камере нагревателем. Скорость ламинарного потока воздуха ve в аэродинамической трубе при заданной температуре Ті измерялась крыльчатым анемометром У5 ГОСТ 6376-74 или чашечным анемометром МС-13. По результатам измерений строилась таражная матрица с двумя входами Т) и V. Измерения скорости газа вблизи огненного смерча проводились в точках с известной температурой Tj. Так как принцип работы термоанемометра связан с процессами теплообмена, для точных измерений необходима неизменность тепловых характеристик, как среды, так и поверхности элемента, тем более что размеры проволоки или напыления малы. Поэтому достоверная работа возможна только в среде чистых от пыли и одинаковых по составу, по отношению к процессу калибровки прибора, газов. К достоинствам термоанемометрического метода измерения относятся высокая чувствительность, хорошее быстродействие, простота конструкции. К недостаткам - достоверная работа только в чистых газовоздушных потоках с неизменными теплофизическими характеристиками, необходимость очистки элемента от пыли. Суммарные погрешности определения параметров не превышали 6Т 4,8%, Sq 9,2%, 8v 9,0% (термоанемометра), 8v 7,9% (треки светящихся частиц), 8v 6,l% (трубка Пито), 8т 2,3%, 8т 1,0% [32,39]. По результатам измерений (3-г5 опытов) рассчитывались доверительные интервалы с доверительной вероятностью 0,95 .
Термогазодинамические характеристики огненного смерча. Температура на оси симметрии и величина тепловых потоков
Метод моделирования решает две задачи это, во-первых, воспроизведение физического явления, наблюдаемого в натуре, подобным образом в лабораторных условиях, и во-вторых, выполнение требований к лабораторным измерениям изучаемого явления [55].
Необходимым и достаточным условием выполнения требования подобия двух явлений является их геометрическое подобие, равенство критериев подобия, записанных в (3.1.4), или другими словами, все критерии подобия, характеризующие свойства модели, должны иметь заданные значения, которые находятся из условий, определяющих свойства натурного образца, и тех процессов, которые протекают в огненных смерчах.
Из литературных источников [1, 2, 6, 7, 66], следует, что физическая природа смерча совершенно не исследована, нет ответа на вопросы, касающихся его устойчивости, механизма получения энергии. Не было среди исследователей согласия даже в вопросе о скорости ветра в смерче. В результате к началу 80-х годов был сделан вывод, что скорость ветра в смерчах вообще не может превосходить 500 км/ч, т.е. в три раза меньше тех скоростей, которые приписывались смерчу ранее.
По мнению В.В. Кушина [67], смерч - это не ветер, а скрученный в тонкостенную трубу «хобот», который вращается вокруг оси со скоростью 300-500 км/ч. Считается, что скорость ветра в стенках смерча доходит до звуковой. За счет центробежных сил внутри трубы создается разряжение, и давление падает до 0,3 атм. Если стенка «хобота» воронки рвется, наткнувшись на препятствие, то внутрь воронки врывается наружный воздух. Перепад давлений 0,5 атм. разгоняет вторичный воздушный поток до скоростей 330 м/с (1200 км/ч) и более, т.е. до сверхзвуковых скоростей. При моделировании огненных смерчей в лабораториях Томского Государственного Университета и Института Оптики Атмосферы СО РАН были получены следующие значения параметров задачи и их комбинаций: Близость значений критериев подобия (Gr = idem, Pr = idem, F = idem, Os = idem) для разных способов формирования смерча доказывает то, что формирование огненного смерча не зависит от способа закрутки газового потока и, что выбранные безразмерные величины являются критериями подобия решаемой задачи [68-70]. В работе [6, 71] огненные смерчи интерпретируются как мезоциклон (сильный локальный ураган), т. е. сильные стационарные (не распространяющиеся) всепоглощающие пожары, возникающие при слиянии пламен множественных одновременных возгораний в условиях крупного города, насыщенного горючим веществом. В течение часа с начала пожара радиально сходящиеся приповерхностные токи со всех направлений поддерживали рост конвективного столба большого диаметра, который, в конце концов, достиг высоты примерно 10 км (Гамбург, Дрезден, Хиросима) [6, 72-74]. Когда огненный смерч достиг максимальной интенсивности (около 2 часа с момента возгорания), скорость радиального притока по оценкам достигала 25-50 м/с. Площадь 12 км с плотностью горючего материала 157 кг/м была обращена в пепел (практически полностью) за 6 ч [6, 72, 73]. Согласно данным, полученным в аэропорту Гамбурга, фоновый вихрь имел следующие параметры на уровне земли [6, 72, 74]:
Здесь ve(z), r0(z), To(z) - скорость вращения, радиус, угловой момент на единицу массы предварительно существующего вихря среднего масштаба.
Даже при исключительно большом выделении тепла, поддерживаемом на ограниченной площади, и при наличии стратификации атмосферы, весьма близкой к началу автоконвективной неустойчивости, для возникновения мощного вихря за время порядка 2 часов мало лишь усиления циркуляции, связанной с вращением Земли. Очевидно, что для развития вращения огненного смерча необходима предварительная, хотя бы слабая, циркуляция в атмосфере.
Исследование влияния акустических возмущений на возникновение и эволюцию теплового смерча
Диаграмма устойчивости на рисунке 37 описывает движение возмущения с постоянной физической частотой f и позволяет определить изменение амплитуды возмущения при его движении вверх по потоку, т. е. при увеличении z (или G). Нейтральная кривая отделяет области демпфирования и усиления возмущений в потоке. При малых значениях G возмущения демпфируются, эта область отделена от области усиливающихся возмущений нейтральной кривой. Частота возмущений характеризуется безразмерной величиной со. Темные квадратные значки на рисунке 37 - данные из работы [84], полученные для конвективной струи с вибрационными возмущениями источника нагрева, светлые - данные, полученные в работе [38] для конвективной струи под влиянием акустических возмущений. Остальные значки (треугольные и круглые значки) - результаты данной работы. Анализ результатов на рисунке 37 показывает, что основное течение в конвективной струе усиливает акустические колебания, частота которых не превышает некоторого предельного значения, но все они, смещаясь вниз по потоку, в конце концов, затухают, что подтверждается непосредственными измерениями и не противоречит предложенному механизму взаимодействия акустических колебаний с параметрами газа. Визуализация картины течения газа в вихрях, результаты измерения термогазодинамических параметров и их анализ позволяют сформулировать механизм формирования и эволюции смерчей [86-88]. Формирование огненных смерчей осуществлялось различными способами за счет конвективных колонок, образованных продуктами сгорания различных веществ. На рисунках 38, 39 показаны фотографии горения нефти без закрутки газового потока, f = 0 и с закруткой сверху Высота пламени без закрутки потока составляла (3+5)-10 м. Опыты проводились на экспериментальных установках с вращающимся нижним основанием и с закруткой потока с помощью лопастей вентилятора. Изменением угловой частоты вращения подложки в пределах f = (1.1-7-1.3) Гц удалось получить огненные смерчи образованные от продуктов сгорания нефти, лесных горючих материалов, элементов моделей зданий. Высота пламени при этом резко возрастала до (20 80)-10 м . На рисунке 39 хорошо видны нитевидные вихревые структуры, характерные для формирования торнадо и описанные в литературе [7]. Обращает на себя внимание то, что значения угловой частоты вращения находятся в узком диапазоне f = (1,1-5-1,3) Гц и не зависят от способа получения конвективной колонки. При f 1,35 Гц вихревые структуры распадались и исчезали, горение становилось неустойчивым. Остановка вращения основания подложки и лопастей вентилятора приводила практически к мгновенному исчезновению огненного смерча. Следовательно, гироскопические эффекты, сопутствующие формированию вихрей торнадо, в огненном смерче, полученного в лабораторных условиях, отсутствуют. Огненный смерч не занимал всей площади горения элементов, а появлялся либо в центре, либо сбоку. Варьирование диаметра емкости для горючих материалов подтвердило это. Спиралевидные треки светящихся частиц показали - наличие тангенциальной и вертикальной составляющей скорости газа. Закономерности возникновения и эволюции огненных смерчей при закрутке газового потока в аэродинамической трубе те же, что и в первых двух случаях. Скорость набегающего потока находилась также в довольно узких диапазонах ve =(0,9-5-1,1) м/с. Угол наклона подложки а к направлению вектора скорости воздушного потока составлял а = (40 -5-50). При а 40, VC 0,9M/C огненный смерч не возникал, при х 50, ve 1,2 м/с становился неустойчивым. Исследовалось влияние закрутки потока на скорость горения лесных материалов. Для этого выбирались образцы лесных горючих материалов одинаковой массы т, часть которых сжигалась без закрутки потока, а другая часть с закруткой. Выяснено, что в закрученном потоке время горения на 10% меньше чем со свободной поверхности, что объясняется большей скоростью горения за счет поступления кислорода из окружающей среды. На рисунке 40 показаны осциллограммы записи температуры газа на оси симметрии в точке z =2 10"2 м при сформированном смерче (кривая 1) и при горении со свободной поверхности (кривая 2). Видно, что температура горения в смерче на (100—150)К выше, чем в пламени. Повышение температуры горения в огненном смерче можно объяснить увеличением скорости диффузионного горения за счет увеличения скорости притока воздуха из окружающего смерч пространства. Во всех точках поверхности наблюдаются пульсации температуры в широком амплитудно-частотном спектре, что свидетельствует о развитом турбулентном характере течения. Подавления турбулентности в ядре огненного смерча не происходит, как при течении газа в вихрях торнадо [7, 89]. Сравнивая же огненный смерч с тепловым, можно сказать, что оба вихря имеют одинаковую физическую природу и относятся к одному классу течений - колоннообразные вихри.
