Способ определения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере

Способ определения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДИССИПАЦИИ ТУРБУЛЕНТНОЙ ЭНЕРГИИ В АТМОСФЕРЕ путем создания аэрозольного образования и регистрации его параметров, по которым судят о скорости диссипации, отличаю-- ; щ и и с я тем, что, с целью упрощения способа и повышения оперативности , аэрозольное образование формируют в виде вихревого кольца, начальный радиус R которого выбирают чэ соотношения Ro 1,25dL2, где сИ - заданный коэффициент роста вихревого кольца; 2-j - высота исследуемого слоя, измеряют фактическую высоту подъема вихревого кольца и время от его пуска до разрушения и по отношению степенных функций произведения начального радиуса вихревого кольца и фак тической высоты подъема к времени (Л от пуска вихревого кольца до его разрушения находят среднее значение скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы .

„„SU„„1041974

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(59 0 01 Ч 1 00

1 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ j:: "..

И ABT0PCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3448140/18-10 (22) 28.05.82 (46) 15..09.83. Бюл. 9.34 (72) В.Н. Иванов, В.Я. Коровин, Ю.С. Русаков и В.В. Смирнов (71) Институт экспериментальной метеорологии (53) 551.508.9(088.8) (56) 1. Little С.G. Acoustic methods

for the remote probing of the 1over.

atmosphere Proc. 3ЕЕЕ, 1969, v. 57, рр. 571-578.

2. Гаргер E Ê., Леманн A.Î.

О сравнении ветровых и турбулентных профилей по измерениям с помощью вертикальных дымовых полос и высотной метеомачты. Труды ИЭМ, 1977, вып, 15 (60), с. 69-78 (прототип). ,:(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ

ДИССИПАЦИИ ТУРБУЛЕНТНОИ ЭНЕРГИИ

В АТМОСФЕРЕ путем создания аэрозольного образования и регистрации его параметров, по которым судят о скорости диссипации, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения оперативности, аэрозольное образование формируют в виде вихревого кольца, начальный радиус Ре которого выбирают из соотношения

Rî = ;25 d-2,„, где . о(. — заданный коэффициент роста вихревого кольца; высота исследуемого слоя, измеряют фактическую высоту подъема вихревого кольца и время от его пуска до разрушения и по отношению степенных функций произведения начального радиуса вихревого кольца и фактической высоты подъема к времени от пуска вихревого кольца до его разрушения находят среднее значение скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы.

1041974

Изобретение относится к области измерения метеопараметров и может быть использовано в метеорологии при оперативном определении динамического состояния приземного слоя атмосферы. 5

Известен способ качественного определения инуенсивности турбулент-. ности в атмосфере путем посылки акустического сигналя и последующего приема его отражения от зон повы- 20 шеиной турбулейтности (1 ).

Ьднако использование способа невозможно в условиях, когда уровень шумовых помех преобладает над величиной отраженного сигнала, например 25 при измерениях в слабо турбулизованной атмосфере, в густонаселенных пунктах, на аэродромах, кораблях и т.д. Недостатками способа являются также его низкая точность, необходимость для оценки интенсивности турбулентности привлечения в некоторых случаях информации о профилях температуры и влажности в атмосфере; влияние близко находящихся рассеивающих звук высоких объектов (дома, деревья, надстройки на корабле ), высокая стоимость аппаратуры.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере путем создания аэроэольного образования в виде дымовой струи и последующего прослеживания, регистрации и анализа 35 проведения визуализированного таким образом объема в воздушном потоке (2$

Скорость диссипации турбулентной энергии в атмосфере влияет на размытие дымовой струи и в первом 4() приближении определяется усредненной величиной роста видимого диаметра струи. Это обусловливает необходимость многократных измерений диаметра дымовой струи на нескольких уров- 45 нях и последующих вычислительных работ и, тем самым, затрудняет оперативность способа. Кроме того, способ требует применения специальной регистрирующей аппаратуры — видеомагнитофонов либо фототеодолитов.

Эти приборы имеют высокую стоимость, в то же время их разрешающая способность недостаточна, а использование фототеодолитов обусловливает дополнительные затраты времени на проявление и подготовку изображения дымовой струи. Способ характеризует.— ся низкой точностью из-за вЛияния на величину измеряемого видимого диаметра дымовой струи не только бО турбулентности, но и условий ееосвещения, оптических характеристик дыма, чувствительности фотоматериала и т.д. Споеоб не может использоваться в населенных пунктах вслед- 65 ствие опасности для людей и строе-ний способа создания дымовых струй с помощью пиротехнических дымовых шашек, забрасываемых в атмосферу.

Целью изобретения является упрощение способа и повышение оперативности при дистанционных измерениях скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере путем создания аэрозольного образования и регистрации его параметров, по которым су дят о скорости диссипации, аэрозольное образование формируют в виде вихревого кольца, начальный радиус

Й которо".î выбирают из соотношенйя

) о 1 25 d.Z è где d — заданный коэффициент роста вихревого кольца;

Z высота исследуемого слоя, измеряют фактическую высоту подъема вихревого кольца и. время от его пуска до разрушения и по отношению степенных функций произведения начального радиуса вихревого кольца и фактической высот к подъема к времени от пуска вихревого кольца до его разрушения находят среднее значение скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы.

Способ основан на экспериментально обнаруженной связи между временем жизни вихревого кольца и энергией турбулентных пульсаций а ат- . мосфере.

Качественные закономерности, описывающие эту связь, установлены следующим образом.

Уменьшение энергии вихревого кольца по мере его движения в реальной атмосфере определяется кроме потерь, обусловленных внутренним трением, дополнительными потерями, возникающими из-за воздействия на кольцо атмосферной турбулентности. Когда энергия вихревого кольца понизится до уровня энергии турбулентных вихрей с размерами порядка радиуса кольца, то кольцо разрушится. Величину дополнительных потерь энергии вихревым кольцом можно по порядку величины принять равной потоку турбулентной энергии через его лобовую поверхность при движении кольца s атмосфере. Известно, что величина турбулентной энергии атмосферных вихрей с размером от долей сантиметра до десятков метров определяется их размером и однозначно связана со скоростью диссипации турбулентной энергии. Таким образом, уравнение, .1041974

10 (у) 20+6С)) о и

ARоE из которого по известным параметрам кольца можно определить усредненнуюпо,его трассе движения величину скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосфе-ры, будет иметь следующий. вид 5 а з Ф

So pK t3(2)(ßÐ 2)зк,«(«+ Z ВIЗ, «г «««цдд гi« о/ где Ro +o - начальный радиус и поступательная скорость вихревого кольца; р — плотность воздуха у С1 — коэффициент потерь энергии, который может изменяться от 0 до 2,7, at - коэффициент увеличения радиуса 20 кольца с расстоянием, который в зависимости от способа создания,вихревого кольца изменяется от 10 до 10 (для конкретного режима формирования кольца величина aLпостоян- 5 на время от момента пуска. кольца до его разрушения;

2 — расстояние, проходимое кольцом> 30

2,Р— высота подъема вихревого кольца и его радиус на этой высоте;

S — - площадь проекции лобовой о поверхности "атмосферы" вихревого кольца на плосEf кость перпендикулярную направлению его движения в начальный момент

50 та о

K(z)- скорость диссипации турбу- 40

М лентной энергии на высоте Z

ARo- максимальный характерный размер турбулентных вихрей, оказывающих влияние 45 на энергетику вихревого кольца.

Вихри значительно крупнее переносят кольцо как целое, не искажая его структуру .и тем самым не вызы- 50 вая дополнительных потерь энергии, А — коэффициент близкий 10.

Первый член в левой части уравнения представляет собою изменение энергии вихревого кольца за счет внутреннего трения.

Второй член в уравнении равен суммарному по трассе движения кольца количеству тур«булентной энергии, содержащейся в вихрях с масштабом, по порядку величины не превосходящим поперечный размер "атмосферы" вихревого кольца. Член в правой час ти уравнения выражает энергию турбулентного вихря, окончательно разрушающего кольцо. В силу малости 65 этого члена в сравнении с членами в левой части уравнения им можно пренебречь.

Уравнение (1 ) с учетом зависимости

1. (4+C )о О D

2= — 1+ (2)

) о можно аппроксимировать выражением

Z tl2 Э(2 ,л о 1 РО 2Ф

Š= 2 = — - (3)

А з

red)C

Погрешность аппроксимационной формулы (3 ) практически во всех возможных диапазонах изменения а (10-6-10 " †" и С (0-3) меньше 100%.

Таким образом, способ позволяет определить усредненное по трассе движения кольца значение скорости диссипации турбулентной энергии.

Для того,. чтобы измерить эту величину для. заданного исследуемого слоя необходимо, чтобы высота подъема кольца была приближенно равна толщине этого слоя. Необходимые для выполнения этого условия начальные параметры кольца. можно найти из уравнений (1 ) и (2 !, которые решают относительно 2Ф, приняв его равным толщине исследуемого слоя

Как видно из формулы, высота подъема вихревых колец формально зависит от нескольких параметров. Однако благодаря тому, что в выражении в квадратной скобке переменнне имеют степень порядка 0,1; оно практически слабо изменяется и может быть принято приближенно равным 0,8.

Таким образом, начальный радиус вихревого кольца, который необходимо выбирать при заданной толщийе исследуемого слоя, определяется формулой

) о= ),2 <(2и (5) Пример. Допустим, необходимо оперативно определить среднюю величину скорости диссипации турбулентной энергии и, следовательно, саму величину турбулентной энергии в заданном слое, например в приэемном слое толщиной 2„ над аэродромом. Для этого запускают вверх дымовое кольцо с радиусом, определяемым формулой (5 ). Засекают время от пуска кольца .до его разрушения и измеряют фактическую высоту подъе

1041974

Составитель В.Агапова

Техред И,йетелева Корректор g,.Ãирня"

Редактор Л.Веселовская

Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретеиий и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 7122/47

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ма кольца. Затем по формуле (3) определяют среднюю величину скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы. При этом точность измерения средней seличины скорости диссипации турбулент- 5 ной энергии не ниже, чем у прототнria, Основные преимущества предлагаемого способа заключаются в его простоте, обусловленной отсутствием 10 специальной регистрирующей аппаратуры, такой как фототеодолиты либо видеомагнитофоны, и оперативности.

Экономия времени. достигается отсутствием необходимости подготовки tp иэображений дымовой струи (например, проявление пленки ), проведения иэмерения ее толщины на нескольких уровнях и последующей вычислительной работы по определению скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое. Кроме того, способ отличается более высокой безопасностью, так как воздушное вихревое кольцо, в отличие от пиротехнических шашек, забрасываемых на нужную .высоту и затем падающих вниз, не может представлять опасности ни для людей, ни для строений.

Предлагаемый способ может найти применение при исследовании процессов переноса примесей в атмосфере, при оперативном измерении и прогнозе динамического состояния атмосферы над аэродромами и т.д.