Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по исследованию погранслоя придонного плотностного течения 16
1. Средние характеристики придонных плотностных течений 16
2. Результаты экспериментальных исследований структуры турбулентности стратифицированных течений 23
3. Теоретическое описание структуры стратифи цированных течений 38
2. Описание аппаратуры, используемой при экспериментах, методика проведения измерений 46
1. Характеристика объекта исследований и требования к аппаратуре 48
2. Описание конструкции донной градиентной установки и датчиков для регистрации средней и пульсационной компонент скорости течения 48
3. Аппаратура для определения концентрации взвешенных в воде частиц и температуры воды. Описание конструкции зондирующего устройства 52
4. Методика проведения измерений 57
3. Результаты натурных исследований трансформации верхней границы придонного плотностного течения 63
1. Методика обработки результатов измерений 63
2. Некоторые результаты исследований стационарности придонных плотностных течений 69
3. Трансформация во времени полей скорости течения и температуры воды в области жидкой границы придонного плотностного потока 72
4. Оценки масштабов преобразования структуры верхней контактной зоны придонного плотностного течения 90
4. Математическая модель когерентных структур в придонном плотностном течении 96
1. Постановка задачи 96
2. Расчет профиля средней скорости придонного плотностного течения 105
3. Оценка временных масштабов когерентных структур. в придонном плотностном течении 109
Заключение 118
- Результаты экспериментальных исследований структуры турбулентности стратифицированных течений
- Описание конструкции донной градиентной установки и датчиков для регистрации средней и пульсационной компонент скорости течения
- Некоторые результаты исследований стационарности придонных плотностных течений
- Оценки масштабов преобразования структуры верхней контактной зоны придонного плотностного течения
Введение к работе
Динамика течений стратифицированных по плотности жидкостей является одним из разделов современной геофизики, быстро развивающимся в последнее время. Исследования этих течений весьма интересны в экспериментальном и теоретическом отношениях, а также связаны с важными практическими приложениями. Одним из видов стратифицированных течений являются придонные плотностные потоки, представляющие собой течения жидкости, имеющей большую плотность в менее плотных слоях воды.
Придонные плотностные течения, в зоне своего существования, могут в значительной мере определять гидродинамические условия в соответствующих областях, океанов, морей и водохранилищ. Это могут быть течения более соленой или более холодной жидкости, суспензионные потоки малой плотности и т.п. Важную роль в понимании физических процессов в плотно-стных течениях играет исследование одной из их разновидностей - придонных суспензионных /мутьевых/ потоков, часто встречающихся в природе. Под суспензионным потоком понимают гравитационное течение водной суспензии твердых частиц, распространяющееся в воде, обладающей плотностью меньшей, чем плотность суспензии.
В настоящее время известно несколько причин, приводящих к возникновению придонных плотностных /мутьевых/ потоков. Это может быть смещение масс грунта на крутых склонах, в частности, подводные оползни и землетрясения. При этом в результате разжижения грунта оползень переходит в суспензион-
ное течение /I/. Придонные плотностные потоки могут возникать в результате взмучивания вод в прибрежной прибойной зоне при штормовых волнениях /2/. Прибрежные воды устремляются по материковому склону, образуя плотностной поток за счет того, что плотность их оказывается больше плотности вышележащих слоев вследствие присутствия твердых взвешенных частиц, большей плотности.
Одной из главных причин возникновения придонных плотно-стных течений, вероятно, следует считать вынос реками в озера, моря и океаны большого количества взвешенного материала /I/. Такие потоки распространяются на весьма значительные расстояния.
О широком распространении придонных плотностных потоков свидетельствуют данные А.Н.Парамонова и Г.Г.Неуймина /3,4/. В их работах было обнаружено два типа распределения взвешенных частиц вблизи дна, характерных для плотностных течений. Первый характеризуется наличием вблизи дна довольно мощного, резко ограниченного сверху слоя с высокой мутностью, почти равномерно распределенной по всей толще. Второй тип отличается меньшими величинами концентрации взвеси, а также более плавным распределением ее по вертикали. По мнению авторов, образование второго типа распределения взвеси связано с взаимодействием плотностного потока с достаточно интенсивным горизонтальным течением.
Суспензионные потоки могут образоваться на озерах и водохранилищах. Наибольшая интенсивность таких потоков, движущихся вдоль уклона дна водоема, относится ко времени прохождения паводка на реках, впадающих в водоем.
Исследование динамики придонных плотностных потоков имеет большое значение для решения ряда важных народнохозяйственных, задач, таких как прогнозирование степени загрязнения вод промышленными отходами и анализ заиления водохранилищ, судоходных каналов, портовых сооружений. Знание динамики плотностных потоков играет принципиальную роль для разработки методов борьбы с заилением. Известно, например, что водохранилища на реках Средней Азии вследствие заиления за 10-15 лет теряют половину своей емкости /5/. Кроме того, осаждение из придонного плотностного течения взвешенных наносов, являющихся прекрасным удобрением, сильно снижает плодородие орошаемых площадей в нижнем бьефе гидросооружений.
широкое распространение придонных плотностных потоков и способность их распространяться на большие расстояния свидетельствует об их устойчивости.
Переходная область между плотностным потоком и вышележащими слоями менее тяжелой воды характеризуется наличием больших градиентов скорости течения и плотности жидкости. В настоящее время она изучена слабо.
Настоящая диссертация посвящена исследованию особенностей формирования структуры термогидрофизических полей в верхней контактной области придонного плотностного течения. Все эксперименты были выполнены на водохранилище Нурекской ГЭС им.Л.Й.Брежнева. Целью диссертации являлось:
Выявление основных особенностей преобразования структуры вертикальных распределений основных параметров придонного плотностного течения в области его верхней границы.
Исследование взаимосвязи между изменениями различных характеристик течения.
_ 7 -
3. Исследование взаимодействия между областью верхней границы и основной толщей придонного плотностного потока.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе дан обзор экспериментальных и теоретических работ по теме диссертации.
В I рассматриваются основные осредненные характеристики этого класса течений, приводятся данные о возможности существования внутренних границ раздела в придонных плотност-ных потоках и о возможности его распространения на значительные расстояния.
2 посвящен исследованиям-структуры турбулентности стратифицированных течений и проблемам их устойчивости. В нем рассматриваются основные особенности вертикальных распределений характеристик турбулентности плотностных потоков, отмечается значительное влияние низкочастотной составляющей спектра на интенсивность турбулентности вблизи границы раздела потока. Анализируются результаты исследований развития возмущений и возникновения турбулентности в стратифицированной по плотности жидкости.
3 посвящен теоретическому описанию стратифицированных течений. В нем рассматриваются некоторые модели, описывающие поведение осредненных характеристик придонного плотностного течения, приводятся результаты теоретических работ, посвященных анализу устойчивости стратифицированных течений, развитию внутренних волн, взаимодействию внутренних волн с турбулентностью. Приводятся результаты работ по исследованию когерентных структур.
Б главе 2 кратко описывается аппаратура, используемая при проведении экспериментов, и излагается методика экспериментальных исследований. Для проведения натурных экспериментов был разработан и при участии автора изготовлен специальный измерительный комплекс, состоящий из градиентной и зондирующей установок.
I содержит общие характеристики объекта исследований, требования, предъявляемые к измерительной аппаратуре, и сведения о параметрах потока, подлежащих регистрации.
В 2 кратко описана конструкция градиентной установки и датчиков для регистрации средней и пульсационной составляющих скорости течения. Для измерения средней скорости течения использовался вертушечный регистратор скорости с индукционным датчиком числа оборотов. Устройство для измерения пульсационной составляющей скорости представляет собой двух-компонентный термогидрометр.
В 3 описываются конструкция зондирующей установки и схемы приборов для определения температуры воды и концентрации взвешенных частиц. Прибор для определения концентрации взвеси представляет собой фотоэлектрический прозрачномер, температура воды измерялась посредством термистора типа МТ-54,. включенного в мостовую схему постоянного тока. Зондирующее устройство было создано при участии автора для исследования структуры верхней границы течения. Оно представляет собой отдельный блок регистрации температуры и прозрачности воды с двухкоординатным графопостроителем.
В 4 излагается методика проведения натурных измерений. Работы начинались плановыми съемками полей концентрации
взвешенных частиц и температуры воды с помощью зондирующей установки. Далее измерения проводились с заякоренного понтона с помощью градиентной и зондирующей установок. В главе также описана методика проведения десяти- и шестичасовой станций.
Результаты экспериментальных исследований структуры турбулентности стратифицированных течений
Длительное существование сравнительно тонких слоев жидкости с большими градиентами плотности и скорости течения должно означать, что турбулентность в этих условиях не охватывает весь поток, а сосредотачивается внутри квазистационарных слоев и не способна разрушать границы между ними /20/. Экспериментальным исследованиям структуры турбулентности стратифицированных течений посвящены работы /21-25/. Б частности, В.С.Беззаботновым /21/ были выполнены исследования параметров турбулентности на Черном море в слое скачка плотности. Измерения проводились методом введения красителя на нескольких горизонтах: выше слоя скачка, в слой скачка и ниже его. Автор отмечает факт минимальной турбулизации слоя скачка. Работа Георгиева /22/ посвящена лабораторному исследованию придонного плотностного течения, для создания которого использовался соляной раствор. Скоростные характеристики потока в различных точках по глубине определялись путем статистического анализа, мгновенных значений скоростей течения, измеренных методом киносъемки. В качестве трассеров были выбраны полиамидные шарики со средним диаметром 0,024 мм и удельным весом 1,05 г/см3. Нормированные вертикальные распределения средней скорости течения, среднеквадратичные значения продольной и вертикальной компонент пульсаций скорости течения, а также момента корреляции между этими параметрами, характеризующего напряжение трения, приведены на рис.5. Отмечается, что профиль средней скорости течения имеет характерный для турбулентных придонных шютностных течений вид с максимумом, расположенным на расстояниях от 0,55 до 0,72 его толщины, считая от дна. Распределения интенсивностей вертикальной и горизонтальной компонент пульсаций скорости сходны друг с другом и характеризуются минимальными значениями в области максимальных значений средней скорости течения и, как отмечает автор, максимумами вблизи верхней и нижней границ потока.
При этом верхний максимум горизонтальной составляющей больше соответствующего максимума вертикальной составляющей. Структура подледного течения на оз.Байкал исследовалась Анисимовой Е.П. и Сперанской А.А. /23/. Анализ результатов измерений проводился авторами на основе вертикальных профилей средней скорости течения, среднеквадратичных значений пульсаций продольной и вертикальной составляющих скорости течения, напряжения трения и генерации турбулентности, показанных на рис.6, а также автокорреляционных функций к функций спектральной плотности на различных горизонтах, приведенных на рис.7. Так же, как и в обсуждавшихся выше работах, отмечается уменьшение значений турбулентных характеристик течения в области больших градиентов плотности, кроме того, отмечается, что в граничных областях функции спектральной плотности имеют ярко выраженные максимумы, расположенные на низких частотах, в то время как в центральной части потока характерным для функции спектральной плотности является наличие нескольких равноценных максимумов. Кроме того, авторы делают важный вывод о периодическом характере существования погранслоя. Структуре турбулентности придонного плотностного течения, обусловленного наличием взвешенных частиц, посвящена работа Кузнецова А.А. /24/. Авторами в лабораторных условиях исследовалась структура течения в зависимости от следующих величин: числа Рейнольдса /Де. /, плотностного числа Фруда / Fz / и параметра С = Де Ft . Показано, что турбулизация верхней, жидкой границы придонного потока происходит вблизи значений Авт = 650 и 0 = 3200. Вертикальные профили средних и пульсационных характеристик течения при этих значениях параметров приведены на рис#8. Так как верхний максимум на профиле ци значительно больше нижнего, то делается вывод о том, что турбулизация придонного течения происходит, в первую очередь, за счет увеличения интенсивности турбулентности вблизи границы раздела плотностного потока и чистой воды. Б этой работе также рассмотрен случай бо- лее развитой турбулентности / Де = 2100, С = 5000/. Профили осредненных и пульсационных характеристик потока в этом случае показаны на рис.9. Профили, обозначенные на рис.8 и 9 сплошной кривой, получены путем обработки записей пульсаций без применения фильтров, а штриховой линией - с применением фильтра типа "скользящее среднее с косинус-ядром Тьюки". При этом авторами отмечаются следующие особенности структуры турбулентности исследуемого течения: применение фильтров не меняет форму профиля пульсационных характеристик потока; вблизи верхней границы течения значительно влияние низкочастотных составляющих пульсаций скорости течения. В статье /25/ обсуждаются особенности турбулентности натурного придонного плотностного потока. Отмечается также неизменность формы вертикальных распределений характеристик течения при обработке данных с фильтрацией низкочастотной составляющей и без нее. Процессы взаимодействия двух потоков, разделенных скачком плотности, анализируются в /26/. Эксперименты проводились с двумя струями газа, обладающими различной температурой, в аэродинамической трубе. Число Рейнольдса изменялось в пределах 4 х ТО3 4х 10 , интегральное число Ричардсона - в пределах 0 80, число Пекле -75-і- 160. Отмечается аналогия скачка плотности с движущейся стенкой. Важное место в исследовании жидкой границы плотностных течений занимает изучение устойчивости, которому посвящены работы /27-36/. В работе /27/ рассматриваются результаты лабораторных исследований поведения границы раздела придонного солевого потока и пресной воды.
Для визуализации наблюдений поверхность раздела была подкрашена. Анализируется зависимость поведения границы раздела от следующих параметров: числа Рейнольдса, плотностного числа Фруда и их отношения Де /Ft , называемого число Кейлегана /Ке/. По данным авторов, поверхность раздела оставалась устойчивой и гладкой даже при максимальном, достигнутом ими в опытах, значении числа Кейлегана Ке = 9 х 10 . Максимальное число Рейнольдса, достигнутое в экспериментах, было равно 6280. Б результате исследований был сделан вывод о том, что в зоне границы раздела жидкостей разной плотности так же, как и у твердой границы, велико влияние молекулярной вязкости. В цикле работ Барра /28-30/ рассматривалось поведение границы раздела в зависимости от числа Кейлегана. По этим данным вязкость оказывает стабилизирующее влияние на границу раздела двух слоев вплоть до значений Ке = 4,4 х 10 . Это выражалось в том, что поверхность оставалась гладкой и возмущений не наблюдалось. Белокопытовым В.М. /31/ проведена серия лабораторных экспериментов, посвященных исследованию устойчивости придонного плотностного течения в зависимости от следующих параметров: где и » ft »і/ »/ - средняя скорость, толщина, кинематическая вязкость и плотность плотностного течения; а - ускорение силы тяжести; 4/ - разность плотностей потока и чистой воды. Было показано, что величина числа Рейнольдса не может служить достаточно надежным критерием, характеризующим устойчивость придонного плотностного потока, а число Ричардсона и, следовательно, плотностное число Фруда достаточно хорошо характеризуют ее. Так, при значениях /?-# 0,3 потоки были устойчивыми, а при значениях числа Ричардсона меньших 0,2 - неустойчивыми. Проведенные измерения показали также, что устойчивость исследуемых течений растет с ростом параметров Ке и Re/ Rl . Интересны результаты, полученные при выполнении лабораторных экспериментов по изучению закономерностей эволюции малых возмущений на поверхности раздела двух движущихся жидкостей с различными плотностями /32-34/. Б этих трех работах использовалась одинаковая экспериментальная аппаратура. В прямоугольном лотке осуществлялось совместное течение двух слоев воды, внизу - соленого, а сверху - пресного. Волнопро-дуктор, расположенный на границе раздела этих слоев, возбуждал на ней колебания малой амплитуды и фиксированной частоты. Поверхность раздела подкрашивалась жидкостью нейтральной плавучести, а регистрация возмущений осуществлялась методом киносъемки. Осуществлялись также регистрации средней скорости потока, пульсаций скорости течения и плотности воды.
Описание конструкции донной градиентной установки и датчиков для регистрации средней и пульсационной компонент скорости течения
В качестве объекта исследований был выбран придонный плотностной поток в водохранилище Нурекской ГЭС имени Л.И.Брежнева. Этот выбор объясняется наличием в Нурекском водохранилище благоприятных условий для формирования в придонной области течения жидкости повышенной плотности. К этим условиям относится прежде всего большая концентрация взвеси в водах реки Вахт, при перекрытии которой образовано водохранилище. По данным /76/ концентрация взвешенных частиц здесь достигает максимальных значений для рек СССР. Среднегодовая величина концентрации взвешенных частиц -4 кг/м3, в паводок она составляет до 10 кг/м3 /77/. Твердый сток образован преимущественно взвешенными наносами. Повышенная концентрация взвешенных частиц приводит к увеличению плотности воды реки Вахш по сравнению с плотностью воды в водохранилище. При указанных концентрациях среднегодовое значение разности плотностей этих вод составляет примерно 2.10 г/см3, что более чем на порядок превосходит минималь- ную величину, необходимую для существования придонного плот-ностного течения /II/. Также существенным фактором для образования и распространения придонного течения является уклон дна, который на некоторых, участках достигает величины 10 . Формированию придонного плотностного течения также способст- . - вует наличие термической стратификации, обусловленной ледниковым происхождением р.Вахш. Разность температур воды в водохранилище и в реке достигает в осенний период 6С, что соответствует разности плотностей порядка 5.10 г/см3. Максимальная длина Нурекского водохранилища составляет около 80 км, максимальная ширина около 5 км, глубина около плотины 250 м. По морфологическому типу это водохранилище относится к каньонным. В водоемах этого типа при ветровых условиях обычно не происходит полных поперечных и продольных циркуляции /78/, поэтому в данном случае можно пренебречь влиянием ветра на придонные течения.
Таким образом, для экспериментального исследования придонного плотностного течения необходимо, в данном случае, регистрировать следующие параметры: 1. Среднюю скорость потока и вышележащих слоев воды. 2. Вертикальные профили средней скорости потока в различных точках по области распространения течения. 3. Пульсаций продольной и вертикальной компонент скорости течения для изучения турбулентной структуры потока. 4. Концентрации взвешенных в воде частиц /батометриче-ским и фотоэлектрическим методом/, для определения превышения плотности суспензионного потока над вышележащими слоями воды. 5. Температуры воды для определения величины полной разности плотностей. По своей конструкции комплекс измерительной аппаратуры должен удовлетворять следующим требованиям: а/ высокая точность измерения, диктуемая необходимостью фиксирования незначительных изменений параметров течения; б/ стабильность параметров аппаратуры во времени; в/ достаточно малая инерционность по сравнению с характерными временными масштабами преобразования структуры течения; г/ прочность конструктивных элементов; д/ защищенность от воздействия внешней среды; е/ простота обработки получаемой информации; ж/ возможность проведения работ на глубинах до 300 м. Кроме того, погружаемая часть измерительного комплекса должна обладать достаточно малым весом для того, чтобы опускание и подъем ее можно было осуществить с помощью ручной лебедки. Исходя из этих требований сотрудниками кафедры физики моря и вод суши был разработан и при участии автора изготовлен специальный комплекс измерительной аппаратуры с кабельной связью. Комплекс представляет собой донную градиентную установку и специальное зондирующее устройство. 2. Описание конструкции донной градиентной установки и датчиков для регистрации средней и пульсационной компонент скорости течения Градиентная установка представляет собой разборную конструкцию, изготовленную из антикоррозионных материалов. Общий вид ее показан на рис.14. Высота несущей мачты составляет,5 м. Прочность конструкции обеспечивается трубчатыми опорами, укосами и тросовыми растяжками. Для ориентации установки в потоке на ней были установлены рулевые пластины, а с целью уменьшения ее веса в воде - пенопластовые поплавки. Градиентная установка оснащена восемью блоками регистрации средней скорости течения, блоком измерения температуры и прозрачности воды, двумя блоками регистрации пульсаций вертикальной и горизонтальной компонент скорости течения.
Для измерения средней скорости течения использовался регистрирующий блок, конструкция которого описана в /79/. В качестве датчика скорости использовалась трехлопастная вертушка с вертикальной осью вращения. На рис.15 приведена электромеханическая схема блока. Принцип работы ее состоит в следующем: на транзисторе Tj собран / С - генератор. Его обмотки L j и L$ 2 намотаны на ферритовые стержни I и 2, между которыми имеется зазор в несколько миллиметров. Металлическая шторка 3, насаженная на ось вертушки, при вращении дважды за один оборот оси пересекает зазор между ферритовыми стержнями с намотанными на них катушками индуктивности. При этом происходит рассеивание потока индукции между ними, что приводит к срыву колебаний генератора. С обмотки /? g после детектирования на диоде Rj сигнал подается на базу транзистора 2,. Усиленным импульсом напряжения открывается транзистор Tg, сигнал с которого подается на счетчик импульсов типа МЭС-54. Для непрерывных регистрации длиннопериодных изменений скорости течения 3 из 8 датчиков скорости были оснащены интеграторами. Измеритель пульсаций продольной и вертикальной компонент скорости течения представляет собой уголковый термогидрометр} конструкция которого описана в /80/. В качестве чувствительного элемента использовалась платиновая проволока толщиной 30 мкм. Возможность использования уголкового термогидрометра в таких условиях обоснована в /81/. Принципиальная схема прибора представлена на рис.16. Благодаря подключению потенциальных проводов непосредственно к нитям исключается влияние подводящих проводов. Комбинированное сопротивление /Jg, состоящее из двух разнородных материалов с различными температурными коэффициентами сопротивления позволяет в значительной мере избежать влияния температуры среды на показания датчиков. Сигналы с блока регистрации пульсаций скорости течения поступали на два самописца типа Н-392, постоянная времени которых не превышала I секунды. Блоки измерения пульсаций скорости были установлены на градиентной мачте один над другим на расстоянии 0,5 м. взвешенных в воде частиц и температуры воды. Описание конструкции зондирующего устройства. Для определения концентрации взвешенных частиц был использован фотоэлектрический прозрачномер, описанный в /82/. На рис.17 приведена оптическая схема прибора. Все элементы оптической схемы установлены в двух соосно расположенных герметичных контейнерах I и 9. В корпусе І, в фокусе линзы 6, размещена осветительная лампа 5 с сосредоточенной нитью накала.
Некоторые результаты исследований стационарности придонных плотностных течений
Результаты натурных исследований стационарности придонного плотностного течения в Нурекском водохранилище содержатся в работах /83,86/. На рис.25 приведены графики изменения во времени положения верхней и внутренней границ двухядерного потока, а также величин средней по толщине потока скорости течения и средней концентрации взвеси /86/. На основании этих данных авторы делают вывод о том, что перечисленные выше параметры изменялись за время измерений в среднем не более чем на 15$. На рис.26 показаны графики временной изменчивости величин разности плотностей, средней по потоку скорости течения и толщины течения по данным /83/. Авторы также делают вывод, что придонный плотностной поток можно считать стационарным с точностью до 15$. В /83,85/ содержатся данные о временной изменчивости придонного течения в целом. В данном случае представляется важным исследование вопроса о том, насколько верхняя граница течения более или менее изменчива по сравнению с потоком в целом. На основании данных измерений скорости, полученных во время проведения шестичасовой станции /гл.II, 4/, был построен график изменения во времени величины расхода воды в области, охватываемой датчиками измерения скорости течения, приведенный на рис.27. Величина расхода оценивалась из соотношения: где л z - толщина слоя, в котором проводились регистрации скорости течения. На основании этих данных можно сделать вывод о том, что данная область придонного плотностного течения стационарна по величине расхода воды с точностью до 1%, Таким образом, изменчивость расхода воды в рассматриваемой области течения не превосходит средней для потока в целом. 3. Трансформация во времени полей скорости течения и температуры воды в области жидкой границы придонного плотностного потока По результатам 10-часовой станции 1980 г. и 6-часовой 1981 г. построены вертикальные профили средней скорости придонного плотностного потока u(z), концентрации взвешенных частиц (г ) , разности плотностей д/Of z ) , температуры воды 7Y-0 и среднеквадратичного значения модуля пульсаций скорости течения ёi+Cz)/рис.28-31/, графики изменения во времени температуры воды вблизи верхней границы течения на горизонте 9,3 м /рис.32/, положения верхней и нижней границ слоя диффузии концентрации взвешенных частиц, а также положения и толщины слоя нулевых градиентов скорости течения /рис.33, 34/. Под слоем диффузии концентрации придонного плотностного течения понимается переходная область его, где наблюдаются значительные величины градиента концентрации взвеси.
Ордината нижней границы слоя диффузии определялась по положению максимального градиента концентрации взвеси, а положению верЕХней границы соответствовал горизонт, на котором вертикальное распределение параметра S становилось однородным. Слоем нулевых градиентов скорости названа зона области.верхней границы течения, в которой величина -JT или не превосходит погрешности измерения. Следует отметить, что во время проведения шестичасовой станции существование течения определялось, в основном, наличием температурной стратификации. Анализ данных измерений показал, что вертикальные рас пределения температуры воды в потоке бывают двух основных типов. Профили первого типа характеризуются монотонным уменьшением температуры с глубиной /рис.296, 306/, причем участки, где температура изменяется достаточно мало череду ются с зонами значительных градиентов температуры воды в об ласти границы раздела. Вертикальные распределения этого типа являются наиболее часто встречающимися для придонного плотно стного потока. Профили второго типа характеризуются наличием инверсии температуры /рис.28а, 30а,в,г/. Сопоставление вертикальных распределений темпера- туры воды с профилями скорости течения и разности плотностей жидкости в потоке и в вышележащих слоях показало, что область возникновения температурной инверсии лежит в верхней контактной зоне течения. Средняя величина инверсии температуры составляет ОД 4- 0,2С, в отдельных случаях отмечалось повышение температуры более 1С. Также встречаются два типа вертикальных распределений среднеквадратичного значения модуля пульсаций скорости течения и . Первый характеризуется наличием одного максимума вблизи области жидкой границы потока /рис.29/. Профили такого типа фиксировались также в /24/. Профили второго типа отличаются наличием двух максимумов вблизи области верхней границы потока /рис.286/. Область минимальных величин среднеквадратичного значения модуля пульсаций скорости течения совпадает с областью максимальных изменений величины разности плотностей, как это видно из рис.28. Впервые распределение такого типа в придонном шютностном течении было зафиксировано, по-видимому, в /87/. Наличием этого минимума объясняется: влиянием устойчивой стратификации /87/. Характерной особенностью появления двух типов профилей температуры воды и пульсаций скорости течения является то, что, как правило, профилю температуры первого типа соответствует профиль величины и первого типа, а профилю 2 (2) второго типа - соответствует профиль Tfz) второго типа. На рис.31а представлен график изменения во времени положения верхней и нижней границ слоя диффузии исследуемого течения. Видно, что он претерпевает повторяющиеся сжатия и расширения.
Сопоставление временной изменчивости слоя диф- фузии с моментами образования инверсной зоны на профилях температуры воды показало, что температурная инверсия сопутствует уменьшению толщины слоя диффузии течения. На рис.316 показан график временного хода скорости изменения толщины слоя диффузии, которая определялась по соотношению: где л fin - изменение толщины слоя диффузии за время между измерениями, А Ь - промежуток времени между двумя измерениями. Величина скорости изменения толщины слоя диффузии считалась положительной при его расширении и отрицательной -при сжатии. Оказалось, что момент образования локального потепления воды в зоне верхней границы течения следует за моментом, когда скорость сжатия слоя диффузии была максимальна. Здесь и далее моменты образования инверсий будут обозначаться звездочкой. Для анализа изменения во времени устойчивости придонного течения были построены графики временной изменчивости интегрального / R(. /и локального / { / критериев Ричардсона, приведенные на рис.32. Величина интегрального числа Ричардсона определялась, согласно соотношению: где с/ - средняя по толщине потока скорость течения, А толщина потока, g - ускорение свободного падения. Величина локального числа Ричардсона определялась для верхней границы течения как: /?. = -г ——// ;г— ) Рассмотрение изменения во времени величины Ri, /рис.31а/ показывает, что данное придонное плотностное течение в целом является устойчивым. Сопоставление графиков временных изменений слоя диффузии течения и величины Ri показывает, что в данном случае изменение во времени интегрального критерия Ричардсона слабо отражает особенности трансформаций слоя диффузии течения. Данный вывод применим, очевидно, только в случае сформировавшегося потока и вне его области затухания. Рассмотрение же устойчивости верхней границы течения, характеризующейся временным ходом локального критерия Ричардсона /рис.326/, показало, что она более подвержена изменениям. Два раза было отмечено уменьшение величины Re до значений меньших критического. Также оказалось, что при сжатии слоя диффузии величина Ri стремится к увеличению. В данном случае дискретность измерений не позволяет сделать более конкретные выводы о харак тере изменений числа R на разных стадиях процесса, однако, можно предположить, что в момент максимального расширения слоя диффузии величина локального критерия Ричардсона становится близкой к критической. Анализ данных измерений скорости течения, проведенных во время шестичасовой станции, показал, что существуют три основных типа вертикальных- распределений скорости течений в области верхней границы течения /рис.33/. Профили первого типа характеризуются монотонным увеличением скорости течения с глубиной /например, профили, снятые в 17 ч 07 м, 19 ч 27 м/.
Оценки масштабов преобразования структуры верхней контактной зоны придонного плотностного течения
Оценим максимальный масштаб пятен турбулизованной жидкости в области верхней границы исследуемого течения. По данным работы /67/, максимальный масштаб турбулентных пятен не может превышать масштаба Озмидова /89/: где А/ - частота Брента-Вяйсяля, В - диссипация турбулентной энергии. Рассмотрим уравнение баланса турбулентной энергии. Так как временной масштаб трансформаций полей температуры воды и скорости течения существенно превышает масштабы мелкомасштабной турбулентности в потоке, то каждую ситуацию можно рассматривать в квазистапионарном приближении. Следовательно, уравнение баланса турбулентной энергии для вертикального обмена можно записать в виде: где члены Г , , - выражают соответственно генерацию, диффузию и диссипацию турбулентной энергии, К -динамическое число Ричардсона. На стадии процесса, когда размеры турбулизованной области максимальны, можно не учитывать член, описывающий диффузию турбулентной энергии /64/, а уравнение записать в виде: Критерий Rf можно записать через число Ричардсона &с и число Шмидта Sc : где число Шмидта с = Г/Фг , і/т - коэффициент турбулентного обмена количеством движения, &т - коэффициент турбулентной диффузии взвешенных частиц. Оценка, по данным /90,91/, дает значения числа Шмидта в пределах 1 3, число Ричардсона при максимальном увеличении толщины слоя диффузии составляет около 0,2 /рис.Збв/. Таким образом, величину диссипации турбулентной энергии с точностью до 20$ можно определить исходя из соотношения: Это условие для оценки диссипации применялось также в работах /92,93/. Значения Т /у и Оы/Ъг. на верхней границе исследуемого течения составляет около 5 ONTO И 2,10 С: соответственно. Величину частоты Брента-Вяйсяля можно определить из следующего соотношения: Тогда, подставив соотношения для Є и /V в соотношение для L0 , получим: Подставляя в полученное соотношение численные значения, получим L 0 = 5 м, что с достаточной точностью совпадает с максимальным вертикальным размером слоя диффузии. Таким образом, предположение о турбулентных пятнах не противоречит результатам наблюдений. Рассмотрим процесс образования инверсии температуры в области верхней границы течения.
Опираясь на данные натурных, наблюдений, его можно представить следующим образом: вследствие увеличения устойчивости, о чем свидетельствует рост числа Ричардсона, наблюдается разрушение турбулентных пятен, о чем свидетельствует сжатие слоев диффузии и нулевых градиентов скорости течения с переходом части турбулентной анергии в тепловую. Из-за диссипативных потерь рсредненного движения образуется минимум на профиле скорости течения /рис.34/. Предположим, что причиной локального повышения температуры воды в области жидкой границы течения является диссипация энергии турбулентности в тепло." По данным /92-9 /, величину диссипации турбулентной энергии можно определить по соотношению: где А = 0,9 « 1,6; 2t4 - среднеквадратичное значение модуля пульсаций скорости течения, Є - масштаб турбулентности. Масштаб мельчайших турбулентных образований, следующим этапом эволюции которых, является диссипация в тепло, был предложен А.Н.Колмогоровым /96/: где и - коэффициент кинематической молекулярной вязкости. Мощность, затрачиваемую на локальный нагрев воды, можно оценить из соотношения: где затр " глУ ина "провала", возникающего на профиле 2с Cz) /рис.276/. При известной величине локального повышения температуры а Т можно сравнить требующуюся для такого нагрева единицы массы воды мощность с величиной Р : где с - удельная теплоемкость воды, л 1 - время нагрева. Учитывая сделанное допущение о диссипативнои природе инверсии температуры, получим следующее соотношение для определения Подставив в него данные прямых измерений л Ь = 40 мин и & I = 1С /для случая, показанного на рис.27/, получим величину 2 затр = 3 см/с, что с достаточной для данных расчетов точностью совпадает с результатами прямых натурных измерений. Проведенные оценки подтверждают предположения о влиянии пятен турбулизованной жидкости на трансформацию термогидродинамических полей в области жидкой границы течения. Таким образом, процесс структурных преобразований верхней контактной зоны течения представляется следующим: вследствие потери устойчивости на верхней границе течения образуется турбулентное пятно и на распределениях скорости течения и температуры воды появляются однородные участки, далее, вследствие повышения устойчивости происходит разрушение турбулентных пятен и возрастает роль диссипативных процессов, образуется минимум на профили скорости течения и инверсия температуры воды. Потом происходит разрушение неустойчивого распределения температуры и система возвращается в начальное состояние. В предыдущей главе был предложен физический механизм повторяющейся перестройки структуры верхней контактной зоны придонного плотностного течения: образование и диссипация пятен турбулизованной жидкости. Но результаты главы Ш не дают ответа на вопрос о причинах возникновения повторяющегося возрастания и убывания устойчивости в области верхней границы потока. Экспериментальные и теоретические работы последних лет, посвященные исследованию турбулентности сдвиговых потоков жидкости и газа показывают, что во многих случаях в этих потоках можно выделить хорошо организованные вихревые образования., получившие названия когерентных структур /69-75, 97-107/.
В большинстве работ подчеркивается, что эти образования играют важную роль в формировании структуры турбулентного потока, в значительной мере определяют коэффициенты сопротивления, коэффициенты тепло- и массопереноса и другие характеристики, важные при практических расчетах. Данные этих работ, а также данные в воздействии возмущений на устойчивость течения, приведенные в работе /37/, позволяют сделать предположение, что источником изменения устойчивости в области верхней границы придонного плотностного течения являются когерентные структуры. В данной главе будут сделаны оценки временных масштабов когерентных- структур в придонном плотностном течении. Предположим /как это сделано, например, в /74,75/ /, что течение представляет собой некоторую мелкомасштабно турбулизованную среду, на фоне которой развиваются когерентные структуры. Тогда можно предположить, что все движения в среде можно разделить на три части. Во-первых, это осредненное движение, понимаемое в обычном для теории турбулентности смысле. Во-вторых, вто упорядоченное крупномасштабное движение, и, наконец, третья часть - мелкомасштабная турбулентность. Для выделения крупномасштабной компоненты многими исследователями пшроко применяется техника условной обработки результатов наблюдений /74,75,97,101,107/. Суть ее состоит в том, что в каждой серии измерений выделяется начало отсчета, связанное с прохождением через датчик определенного элемента когерентных структур. Далее во всех сериях совмещаются начала отсчета и показания осредняются. При этом фильтруются мелкомасштабные пульсации и выделяются сигналы основных крупномасштабных движений. Следует отметить, что хотя сами по себе крупномасштабные образования имеют устойчивые характеристики и достаточно большую продолжительность, их расположение во времени и пространстве является случайным. Поэтому при обычном осреднении они выступают как случайные и осредняются. Вопросы, возникающие при применении описанной процедуры, подробно изучались в /109/. В данном случае выделение крупномасштабной компоненты скорости течения можно провести, они- раясь на спектр, приведенный на рис.36.
