Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей

• Автор: Строкатов, Антон Анатольевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 132 с. : ил.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Теории возникновения смерчей
1.2. Условия образование торнадо, его развитие и строение
1.3. Отечественные и зарубежные исследования, посвященные проблеме смерчей
1.4. Объект исследования
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
2.1. Описание экспериментальных установок
2.2. Методики определения термогазодинамических параметров в смерчах
2.3. Методика определения яркостной температуры в огненном смерче с помощью тепловизора
2.4. Оптические методы определения влияния высокотемпературной среды на распространение излучения
2.5. Методы обработки результатов измерений
3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОГНЕННЫХ СМЕРЧЕЙ
3.1. Выбор определяющих процесс параметров и критерии подобия решаемой задачи
3.2. Физическое моделирование огненных смерчей в лабораторных условиях
3.3. Термогазодинамические характеристики огненного смерча. Температура на оси симметрии и величина тепловых потоков
3.4. Измерения параметров смерча в инфракрасной области излучения
3.5. Измерения геометрических размеров смерча в видимом диапазоне
4. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СМЕРЧЕЙ
4.1. Исследования тепловых смерчей в лабораторных условиях. Результаты экспериментов и их обработка
4.2. Исследование влияния акустических возмущений на возникновение и эволюцию теплового смерча
4.3. Сравнение и анализ механизмов возникновения и распада огненных и тепловых смерчей
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

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.
следствие высокой температуры в среде действует сила Архимеда. Условия формирования и устойчивого горения топлива в режиме огненного смерча определяются закручивающей силой, а также равновесием сил, действующих на среду во вращающейся конвективной колонке. Такими силами являются: центробежная сила; подъемная сила Архимеда; сила, возникающая за счет распределения давления внутри смерча (пониженное на оси смерча); внешние силы - давление в окружающей среде и скорость ее движения. В большинстве случаев движение в этих структурах носит сложный турбулентный характер, исследования которого находятся на начальной стадии.
Для исследования флуктуаций показателя преломления среды в огненной струе были применены оптические методы, широко используемые в атмосферных исследованиях [43, 44]. В частности, на данном этапе измерялись флуктуации интенсивности и дрожания изображения лазерного пучка, прошедшего через пламя, а так же флуктуации собственного светового потока.
На рисунке 12 приведена схема экспериментальной установки, разработанная группой ученых в Институте оптики и атмосферы СО РАН (ИОА СО РАН). Принцип работы установки связан с определением влияния высокотемпературной среды на распространение излучения [45-47].
Горючий материал (20+30 мл спирта) заливался в неподвижную емкость диаметром 14,2-10'2 м, высотой борта 1,7-10'2 м. В некоторых экспериментах в емкость вместе со спиртом помещался наполнитель - пористая среда (латунные опилки) с целью определения ее влияния на процесс горения. Под емкостью размещался электродвигатель с регулируемыми оборотами. На оси двигателя размещались лопасти, создающие восходящий закрученный поток воздуха вокруг емкости. Обороты двигателя регулировались изменением напряжения питания, а скорость вращения измерялась частотомером по импульсам оптического датчика.