Способ управления восходящим закрученным потоком воздуха для прекращения его движения

Способ управления восходящим закрученным потоком воздуха для прекращения его движения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к управлению или регулированию расхода в потоке текучей среды с использованием неэлектрических средств. Известен способ (Ядерный взрыв и торнадо, http://www.mirvetrov.ru, 30.03.2009) по уничтожению таких природных восходящих закрученных потоков, как тропический циклон, с помощью взрыва в самом начале вертикальной части восходящего закрученного потока ядерного заряда мощностью до двадцати килотонн. Недостатком данного способа является международный запрет на ядерные взрывы в атмосфере Земли.

Известен также способ (Ураганная авиация, http://www.popmech.ru, 30.03.2009) по уничтожению таких природных восходящих закрученных потоков, как тропические циклоны, на начальной стадии их функционирования с помощью разрушения их вертикальной части пролетами сверхзвуковых самолетов от внешней области к центральной области и обратно. Недостатком этого способа является опасность разрушения самолетов и гибели пилотов при увеличении мощности тропического циклона на этапе перехода от начальной стадии к устойчивому функционированию.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (Пат. РФ №2251835, МПК A01G 15/00, G01W 1/00. Ю.Е.Устюгин, Г.П.Устюгина. Способ возвратно-вихревого турбулентного подавления крупномасштабного синоптического вихреобразования. - Опубл. 20.05.2005), включающий трансформирование притекающих поверхностных циркуляционных потоков воздуха, которые вступают во взаимодействие с восходящими потоками и принудительно переформировывают их. Недостатком данного способа является то, что нужно сооружать сложные наземные объекты и заранее помещать их в основание восходящего потока, а место возникновения тайфунов и смерчей трудно предсказать.

Задача изобретения - уменьшить вредное воздействие на окружающую среду способа уничтожения восходящего закрученного потока и исключить зависимость способа от места возникновения последнего.

Указанная задача решается тем, что для разрушения восходящего закрученного потока используют внешний покоящийся воздух.

Сущность изобретения заключается в том, что места ввода внешнего воздуха, имеющего давление большее, чем давление внутри вертикальной части восходящего закрученного потока, внутрь восходящего закрученного потока располагают на одной высоте от придонной части восходящего закрученного потока по периметру вертикальной части, и каждое место ввода должно иметь вертикальный размер не менее 2-3 шагов винтовых траекторий движения воздуха в восходящем закрученном потоке или не менее 1-2 шагов при условии, что внешний воздух вводят одновременно по всему периметру вертикальной части восходящего закрученного потока.

На фиг.1 изображен восходящий закрученный поток, состоящий из придонной части 2, вертикальной части 3, ограниченный снизу поверхностью земли или воды 1, с винтовыми траекториями движения воздуха 4 с шагом h винтового движения в вертикальной части 3, на фиг.2 представлена схема нескольких мест ввода 5 внешнего воздуха 6 в вертикальную часть 3, на фиг.3 - схема места ввода 7 внешнего воздуха 6 в вертикальную часть 3 восходящего закрученного потока по всему его периметру, на фиг.4 - схема распределения давления внутри восходящего закрученного потока.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В природе довольно часто встречаются восходящие закрученные потоки воздуха. В качестве примеров таких потоков можно привести многочисленные смерчи и торнадо, регулярно наблюдаемые на юге США и в других, достаточно теплых и ровных местностях. К подобным явлениям относятся и периодически возникающие тропические циклоны.

Для всех этих восходящих закрученных потоков характерны некоторые общие моменты:

- в атмосфере, которая вращается вместе с планетой вокруг ее оси, происходит движение воздуха, локальное по масштабам планеты и существующее достаточно продолжительное время. Так, тропические циклоны функционируют в течение нескольких суток, торнадо и смерчи - от десятков минут до часов (http://www.mirvetrov.ru, 30.03.2009);

- движение воздуха в восходящем закрученном потоке является винтовым, то есть с одновременным движением частиц воздуха вверх происходит их вращательное движение вокруг оси восходящего закрученного потока. Причем для подобных природных потоков, отмечающихся в Северном полушарии, естественная закрутка имеет положительное направление, то есть против хода часовой стрелки, если смотреть на поток сверху (http://www.mirvetrov.ru, 30.03.2009);

- около основания восходящего закрученного потока образуется очень сильное движение масс воздуха - ветер (например, в тропических циклонах скорость ветра достигает 100 км/ч и больше), дующий над поверхностью Земли, но не в сторону самого восходящего закрученного потока. Именно этот ветер, а также восходящее движение воздуха из придонной части в вертикальную служат причинами разрушений, производимых торнадо и тропическими циклонами, как, например, циклон Катрина, разрушивший Новый Орлеан в 2005 г., или циклоны на восточном побережье Китая в 2008 году.

На всех фотографиях конкретных торнадо отчетливо видна граница между восходящим закрученным потоком и внешним воздухом. Это говорит о том, что в средней по высоте вертикальной части восходящего закрученного потока существует так называемая контактная поверхность, на которой давление воздуха с обеих сторон одинаковое и через которую воздух не протекает. Следовательно, в вертикальной части внешний покоящийся воздух не попадает в восходящий закрученный поток, а попадает в него снизу - из придонной части и, естественно, покидает его сверху (Баутин С.П. Торнадо и сила Кориолиса. Новосибирск: Наука, 2009, с.30).

Начальным движением при возникновении восходящего закрученного потока является вертикальное движение вверх теплого воздуха, вызванное локальным прогревом солнечной энергией участков суши или водной поверхности и прилегающих к ним воздушных масс (Баутин С.П. Торнадо и сила Кориолиса. Новосибирск: Наука, 2009, с.32). Как показывают наблюдения, зарождение тропических циклонов и торнадо на Земле происходит там, где имеется сильный прогрев поверхности и прилегающих воздушных масс - в районах, расположенных вблизи экватора для тропических циклонов и на территории южных равнинных штатов США, в которых часто бывают торнадо. И чем больше прогрев поверхности и прилегающих воздушных масс, тем на большую высоту проникают восходящие тепловые потоки. На смену восходящим объемам воздуха поступают снизу новые объемы. Так начинает образовываться придонная часть 2 (фиг.1) восходящего потока, причем вначале придонное движение имеет радиальный характер: от периферийных областей к центру восходящего теплового потока одновременно со всех сторон по прямым. Из-за радиального движения воздуха в формирующейся придонной части 2, благодаря действию силы Кориолиса, возникает также и окружное движение в положительном направлении, то есть против хода часовой стрелки, что и называется закруткой воздуха (Баутин С.П. Торнадо и сила Кориолиса. Новосибирск: Наука, 2009, с.33). Факт возникновения закрутки воздуха в придонной части 2 обоснован математически с помощью построения соответствующего решения системы уравнений газовой динамики при учете действия силы Кориолиса.

Возникшая в придонной части 2 закрутка воздуха приводит к тому, что наблюдающееся в придонной области движение частиц к восходящему тепловому потоку происходит уже не по прямым, а по спиралям. Движение по спиралям, в свою очередь, увеличивает время нахождения частиц воздуха в начинающей вращаться придонной части 2. Следовательно, на частицы воздуха все более продолжительное время будет действовать сила Кориолиса, что увеличивает скорость движения воздуха, в том числе ее окружную составляющую. Через определенное время движение воздушного потока выходит на определенный стационарный режим, то есть заканчивается переход от начального движения восходящего теплового потока к достаточно устойчивому восходящему закрученному движению, имеющему придонную часть 2. После формирования придонной части 2 с достаточной закруткой частиц воздуха, то есть с достаточно большим значением окружной составляющей вектора скорости воздуха в момент его поступления в вертикальную часть 3, функционирование всего восходящего закрученного потока идет по схеме функционирования трубы с прочными непроницаемыми стенками, имеющей внутри пониженное давление по сравнению с внешним давлением воздуха. Объясняется это действием центробежной силы, проявляющейся при любом круговом движении. В воздухе, вращающемся вокруг некоторой оси (пусть и одновременно движущемуся вдоль оси), центробежная сила сдвигает частицы воздуха дальше от оси. В результате плотность воздуха возрастает с увеличением расстояния от оси вращения, а с возрастанием плотности возрастает и давление в воздухе. Таким образом, за счет действия центробежной силы давление во вращающемся потоке воздуха монотонно увеличивается с увеличением расстояния от оси вращения. На фиг.4 приведено распределение давления р внутри вращающегося потока воздуха, где р₀ - давление в центре вращающейся области, r - расстояние от оси вращения, r₁ - радиус вращающейся области, p₁ - давление на краю вращающейся области, равное давлению во внешнем покоящемся воздухе (Баутин С.П. Торнадо и сила Кориолиса. Новосибирск: Наука, 2009, с.81), то есть давление вблизи оси вращения меньше, чем давление во внешнем покоящемся воздухе 6. Более высокое давление внешнего воздуха 6 при его поступлении внутрь вертикальной части 3 восходящего закрученного потока и обеспечивает прекращение движения воздуха в вертикальной части 3 восходящего закрученного потока.

Если внешний воздух 6 вводят одновременно по всему периметру вертикальной части 3, то на верхнем крае места ввода 7 (фиг.3) будет происходить следующее. Поскольку воздух в вертикальной части 3 восходящего закрученного потока движется вверху, то нижний край неразрушенной вертикальной части будет двигаться вверх с вертикальной скоростью воздуха в этой части восходящего закрученного потока. Движение вверх нижнего края неразрушенной вертикальной 3 части будет освобождать все больше места для заполнения этой области внешним покоящимся воздухом 6. То есть фактически эта граница начнет быстро двигаться вверх. Поэтому вертикальная часть 3 восходящего закрученного потока, начиная с места начального ввода 7 внешнего покоящегося воздуха 6 и до верхнего края восходящего закрученного потока, очень быстро заполнится внешним воздухом 6, что затормозит движение воздуха в восходящем закрученном потоке.

На нижнем крае места ввода 7 (фиг.3) внешнего воздуха будет наблюдаться другая картина. Поскольку давление р₀ в центре вращающейся области меньше p₁ значения давления на краю ее, то появится граница раздела, идущая вниз, на которой вертикальная составляющая вектора скорости воздуха будет равна нулю. На этой границе будет тормозиться идущий вверх воздух и область с заторможенным воздухом будет распространяться вниз. Этот заторможенный воздух в итоге закроет выход воздуха вверх из закрученной придонной части 2. После этого в центре придонной части 2 образуется так называемое ядро покоя - область, где воздух не может двигаться, так как ему просто некуда двигаться. Так как в движении воздуха по спиралям в придонной части 2 обязательно есть ненулевая радиальная составляющая вектора скорости воздуха, ядро покоя начнет увеличиваться в диаметре и придонная часть 2 со временем сама перестанет вращаться (Баутин С.П. Торнадо и сила Кориолиса. Новосибирск: Наука, 2009, с.52).

В случае нескольких мест ввода 5 (фиг.2) внешнего воздуха 6 внутрь восходящего закрученного потока действие внешнего воздуха 6 будет подобным, если эти места ввода 5 расположены на одной высоте от придонной части 2 восходящего закрученного потока по периметру вертикальной части 3 и каждое место ввода имеет вертикальный размер не менее 2-3 шагов винтовых траекторий 4 движения воздуха в вертикальной части 3 восходящего закрученного потока.

Таким образом, предлагаемый способ разрушения восходящего закрученного потока воздуха основан на особенностях его структуры, при этом основную работу по прекращению функционирования восходящего закрученного потока производит поток воздуха, внешний по отношению к восходящему закрученному потоку, не наносит вреда окружающей среде и не приводит к человеческим жертвам.

Способ управления восходящим закрученным потоком воздуха для прекращения его движения, включающий ввод внешнего воздуха внутрь восходящего закрученного потока, состоящего из придонной и вертикальной частей, отличающийся тем, что места ввода внешнего воздуха, имеющего давление большее, чем давление внутри вертикальной части восходящего закрученного потока, внутрь восходящего закрученного потока располагают на одной высоте от придонной части восходящего закрученного потока по периметру вертикальной части и каждое место ввода должно иметь вертикальный размер не менее 2-3 шагов винтовых траекторий движения воздуха в восходящем закрученном потоке или не менее 1-2 шагов при условии, что внешний воздух вводят одновременно по всему периметру вертикальной части восходящего закрученного потока.