Лабораторное моделирование турбулентного пограничного слоя над взволнованной водной поверхностью при ураганном ветре. Поле поверхностного волнения

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"Нижегородский государственный университет

им. Н.И. Лобачевского"

(ННГУ)

Радиофизический факультет

Направление "Фундаментальная радиофизика и физическая электроника"

Кафедра акустики

КУРСОВАЯ РАБОТА

“Лабораторное моделирование турбулентного пограничного слоя над взволнованной водной поверхностью при ураганном ветре.

Поле поверхностного волнения”

Научный руководитель, зав. отделом нелинейных

геофизических процессов №230 ИПФ РАН,

профессор, д. ф. - м. н. Троицкая Ю.И.

Студент 5-го курса Вдовин М.И.

Н. Новгород, 2010

Содержание

Введение

Экспериментальная установка

Измерительные приборы

Методика измерений

Экспериментальные результаты

Заключение

Литература

Введение

Одним из важнейших факторов, определяющих динамику тропических ураганов и полярных мезоциклонов над морем, является взаимодействие атмосферного пограничного слоя с океаном. Количественной характеристикой этого взаимодействия является коэффициент аэродинамического сопротивления морской поверхности. На основании проведенных в последнее время измерений скорости ветра и турбулентных потоков при полетах через тропические циклоны на малых высотах над уровнем моря, а также с падающих GPS-зондов было открыто явление снижения (или насыщения) коэффициента аэродинамического сопротивления при ураганном ветре (эффект кризиса сопротивления).

В настоящей работе описаны методика и результаты измерений поля поверхностного волнения в ветро-волновом канале, полученные в ходе эксперимента по измерению коэффициента аэродинамического сопротивления водной поверхности при ураганных ветрах.

Экспериментальная установка

Для экспериментального исследования поведения коэффициента аэродинамического сопротивления был построен ветро-волновой канал, расположенный в Большом Термостратифицированном Бассейне (БТБ) ИПФ РАН. Принципиальная схема ветро-волнового канала представлена на рис.1. Воздушный поток создается центробежным вентилятором MSB-2-560/80-1850T. Для контроля скорости поступающего воздушного потока, вентилятор оснащен электронным преобразователем частоты VFD-В. Он предназначен для контроля частоты вращения трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, установленного на вентиляторе. Частота вращения ротора электродвигателя варьируется в пределах от 7,5 до 50 Гц. Забор воздуха в вентилятор может производиться как снаружи, так и из лабораторного помещения. При этом можно варьировать объемные доли воздуха, поступающего снаружи и изнутри помещения, а так же их суммарный объем, для изменения температуры и скорости воздушного потока в канале. Вентиляционные линии между вентилятором и входной секцией ветро-волнового канала оснащены глушителем, а так же внутренними отражателями в местах изгиба, предназначенными для уменьшения колебаний поперечных компонент скорости в воздушном потоке.

поле поверхностное волнение ураган

Рис.1 Принципиальная схема ветро-волнового канала в БТБ (вид сверху): 1 - БТБ, 2 - ветро-волновой канал, 3 - камера забора воздуха, 4 - вентилятор, 5 - вентиляционные линии

Рис.2 Детальная схема установки с установленными датчиками. Размеры даны в сантиметрах.

Пояснения к рис.2:

- рабочая часть ветрового канала (оргстекло, 9 секций, 70х40х100 см каждая)

- вертикальные опоры высотой 120 см

- входная секция, из которой в канал поступает ветровой поток

- хонейкомб, необходимый для уменьшения флуктуаций в поступающем ветровом потоке и выпрямления его профиля на входе в ветровой бассейн

- струнный волнограф, служит для измерения амплитуды поверхностного волнения

- волногаситель

- волнопродуктор

- трубка Пито-Прандтля, служит для измерения ветрового профиля в канале

Измерительные приборы

Струнный волнограф:

Для измерения поверхностного волнения в ветро-волновом канале был использован струнный волнограф, данные с которого поступали в компьютер. Принцип работы данного волнографа основан на измерении падения напряжения на каждой из трех пар струн при их замыкании водной поверхностью.

Пары струн расположены в вершинах равностороннего треугольника со сторонами 2,5 см. Волнограф был откалиброван таким образом, что падение напряжения в вольтах было равно изменению уровня водной поверхности в сантиметрах. Частота измерений - 100Гц.

Рис.3 Струнный волнограф

Методика измерений

Измерения проводились при разных режимах работы волнопродуктора и разных скоростях ветра. В процессе эксперимента происходило накопление массива статистических данных о поверхностном волнении в канале - A (t) - по 660000 тысяч точек для каждой пары струн. Затем этот массив разбивался на интервалы по 512 точек, каждый из которых обрабатывался по методу быстрого преобразования Фурье. Т.о. для каждого интервала были получены зависимости ω (φ) и ω (A). Используя известную геометрию расположения струн волнографа, по разности фаз на них находились горизонтальные проекции k_x и k_у. После чего строилась усредненная по всем интервалам гистограмма ω (k_x,k_у), которая использовалась в дальнейшем для построения спектров волнения.

Экспериментальные результаты

По полученным данным были построены частотные и пространственные спектры поверхностного волнения.

Пояснение к нижеприведенным графикам:- частота вращения ротора нагнетающего вентилятора (Гц)- амплитуда колебаний волнопродуктора (мм), f15 - частота колебаний волнопродуктора (1,1Гц и 1,5Гц соответственно)

ω - частота в радианах- волновой вектор в обратных метрах

Рис.5а-5е - частотный спектр волнения при одинаковых ветрах и разных амплитудах волнопродуктора, частота работы волнопродуктора 1,5Гц

Рис.6а-6д - частотный спектр волнения при разных ветрах и одинаковых амплитудах волнопродуктора, частота работы волнопродуктора 1,5Гц

Рис.8а-8е - пространственный спектр волнения при одинаковых ветрах и разных амплитудах волнопродуктора, частота работы волнопродуктора 1,5Гц

Рис.9а-9д - пространственный спектр волнения при разных ветрах и одинаковых амплитудах волнопродуктора, частота работы волнопродуктора 1,5Гц

Рис.10а-10б - сравнение частотных спектров при разных ветрах, разных частотах волнопродуктора, но одинаковых амплитудах волнопродуктора

Рис.11а-11д - сравнение пространственных спектров при разных ветрах, разных частотах волнопродуктора, но одинаковых амплитудах волнопродуктора

Рис.4 Частотный спектр волнения при разных ветрах и выключенном волнопродукторе

Рис.6д

Рис.7 Пространственный спектр волнения при разных ветрах и выключенном волнопродукторе

Рис.10б

Рис.11 дисперсионное распределение в случае разных ветров, но одинаковой амплитуды волнопродуктора (частота 1,1Гц)

Рис.12 дисперсионное распределение в случае разных ветров и разных амплитуд волнопродуктора (частота 1,5Гц)

Заключение

В ходе эксперимента по измерению коэффициента аэродинамического сопротивления водной поверхности при ураганных ветрах при помощи струнного волнографа было измерено поле поверхностного волнения в ветро-волновом канале. Измерения проводились при разных скоростях ветра и разных режимах работы волнопродуктора (частота и амплитуда).

По полученным экспериментальным данным были построены частотные и пространственные спектры, а так же дисперсионные зависимости.

Были обнаружены следующие эффекты:

. При генерации волн только ветром, их амплитуда и частота определяются скоростью ветрового потока. Чем сильнее ветер, тем больше амплитуда волн, и тем меньше частота (рис.7).

. При генерации волн и ветром, и волнопродуктором одновременно, в спектре появляются пики, отвечающие каждому виду накачки.

Один из пиков соответствует накачке волнопродуктором. Он имеет частоту, равную частоте работы волнопродуктора, а его амплитуда тем больше, чем сильнее ветер в канале (рис.8а-8г).

Второй пик отвечает ветровой накачке и при большинстве режимов работы совместной накачки ведет себя, как в пункте 1. (рис.8а-8г)

.        При некоторых режимах работы совместной накачки возможна ситуация, когда из-за нелинейного взаимодействия волн исчезает "ветровой" пик и происходит повышение амплитуды пика, соответствующего накачке волнопродуктором (рис.8д-8е).

2.      Так же возможна ситуация, когда при повышении амплитуды работы волнопродуктора "слившийся" пик разделяется на два. При этом у исходного пика частота не изменяется, но уменьшается амплитуда. А новый пик имеет меньшую частоту и амплитуду по сравнению с исходным (рис.8г-8е).

Литература

1.      Emanuel, K. A. Sensitivity of tropical cyclones to surface exchange coefficients and a revised steady-state model incorporating eye dynamics // J. Atmos. Sci/, 1995, v.52, p.3969-3976.

2.      Powell, M. D., Vickery P. J., Reinhold T. A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones // Nature, 2003, v.422, p.279-283.

.        Donelan M. A., Haus B. K, Reul N., Plant W. J., Stiassnie M., Graber H. C, Brown O. B., Saltzman E. S. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong winds // Geophys. Res. Lett., 2004, v.31, L18306.

.        Ludwieg H. and Ti1mann W, Ingr. Arch., 17, 288 (1949).

.        Schubauer G. B. and Klebanoff P. S., Natl. Advisory Comm. Aeronaut. Tech. Repts., № 1030, 1951.

.        Klebanoff P. S. and Diehl F. W., Natl. Advisory Comm. Aeronaut. Tech. Notes, № 2475, 1951.

.        Schultz-GrunowR, Luftfahrt-Forsch., 17, 239 (1940).

.        Allan J. F. and Cut land R. S., Trans. North East Caost Inst. Engrs. & Shipbuilders, 69, 245 (1953).

.        Ham a F. R., Soc. Naval Architects Marine Engrs. Trans., 62, 333 (1954).

.        Nikuradse J., VDI-Forschungsheft, № 361, 1933

.        Clauser F. H., Advances in Appl. Mechanics, 4, 1 (1956)