Гидродинамическая структура поверхностного слоя на границе раздела "вода-воздух"

• Автор: Плаксина, Юлия Юрьевна
• Шифр специальности: 25.00.29, 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 161 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Экспериментальные и теоретические методы исследования тепломассообмена на границе «вода-воздух»
1.1 Общая характеристика процессов тепломассообмена на границе «вода-воздух» и «океан - атмосфера»
1.2 Классическая теория тонкого приповерхностного слоя воды на границе раздела с атмосферой
1.3 Пространственная структура приповерхностного слоя
1.4 Экспериментальные методы исследования тепломассообмена в натурных и лабораторных условиях
1.5 Эмпирические формулы с использованием критериев подобия
1.6 Численное моделирование энергообмена без использования эмпирических предположений и проблемы неодномерной теории приповерхностного слоя
2 Термографические исследования температурных полей на поверхности жидкости
2.1 Измерение ИК излучения со свободной поверхности жидкости
2.2 Теоретические модели, описывающие конвекцию вблизи поверхности и возможности использования термографических данных
3 Использование теневого фонового метода (ТФМ) для исследования температурных полей в жидкости вблизи границы раздела сред и его применение совместно с термографией
3.1 ТФМ и возможности его применения к задаче исследования тепломассообмена вблизи границы раздела сред
3.2 Экспериментальное исследование поля температур в кювете при различных условиях
3.3 Конвективные течения при больших числах Рэлея - конвекция в бассейне
3.4 Совместное использование ТФМ и термографии
4 Использование метода термозондирования для анализа потоков тепла с водной поверхности в лабораторных и натурных условиях

4.1 Обоснование применимости градиентного метода для определения тепловых потоков вблизи поверхности
4.2 Лабораторные исследования возможностей метода термозондирования для определения потоков тепла с водной поверхности
4.3 Натурные исследования различных режимов тепломассообмена в Чёрном море
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Тонкий слой вблизи поверхности раздела сред резко отличается по своим свойствам от всей остальной атмосферы и гидросферы. Прежде всего, это связано с большим влиянием процессов молекулярного переноса. Это слой больших градиентов скорости, температуры, концентрации, поэтому все три классических диссипативных процесса, вязкость, теплопроводность и диффузия, играют огромную роль в формировании структуры этой области. Масштабы этой области (от десятых долей мм до нескольких мм) не сравнимы со стандартными геофизическими масштабами и, то же время, невозможно решить задачу построения общей модели процессов без учета этой зоны, поскольку весь поток массы и тепла должен проходить через этот слой. Исследование вязкого подслоя лежит на стыке наук. Здесь сходятся интересы геофизиков, специалистов по молекулярной физике, механиков, инженеров, поскольку такой вязкий подслой возникает во многих задачах, связанных с фазовыми переходами и энергообменом. Задачи испарения и конденсации водяного пара в целом во многом схожи с соответствующими проблемами горения. Точно так же, как в задачах горения, возникает соотношение процессов диффузии и процессов теплопроводности, подобие скрытого и контактного потоков. Этот вопрос будет подробно рассмотрен в работе.
В то же время, в отличие от многих других задач геофизики, проблема энергообмена в вязком подслое может исследоваться как в лабораторных, так и в натурных условиях, несмотря на очевидную разницу в описании процессов по обе стороны от рассматриваемого подслоя.
В работе непосредственно используются три экспериментальных метода исследования структур вблизи поверхности - исследование температурного поля свободной поверхности жидкости с помощью чувствительного тепловизора с охлаждаемой матрицей, теневой фоновый метод, а также непрерывное термозондирование. Каждый из этих методов имеет свои границы применимости, достоинства и недостатки, поэтому совместное их применение

Другая проблема — гидродинамическая. Молекулярные механизмы переноса тепла могут действовать только при наличии очень специфических условий. В реальности возникающие конвективные потоки формируют определенные структуры как в воде, так и в воздухе. Исследование таких потоков теоретически и экспериментально стало возможно только в последние годы с появлением вычислительных возможностей и новых методов регистрации.
При лабораторных измерениях используется весь набор экспериментальных методов, которые применяются и в натурных условиях, за исключением, пожалуй, только спутникового зондирования. Обратное неверно. Методы, применяемые при лабораторных измерениях, часто не применимы в натурных условиях. Прежде всего, это современные методы визуализации полей скоростей и температур, связанные с введением в поток дополнительных частиц.
Отметим, что методы визуализации, широко используемые в гидродинамике на протяжении уже почти 100 лет, и связанные с применением подкрашивающих струек, нитей, капель и пленок (на твердой поверхности), применительно к исследуемой задаче имеют ограниченные возможности. В качестве известного примера удачного применения этих методов следует отметить работу [33], где методика позволила наблюдать небольшие вихревые структуры на поверхности жидкости. Однако внесение большого количества подкрашивающих веществ в ограниченный объем и попадание этих веществ из объема на поверхность сразу резко меняют условия испарения и приводят к перестройке течения.
Интерференционные и теневые методы, очень активно использовавшиеся в гидродинамике во второй половине 20 века, также не нашли широкого применения для данной задачи, хотя такие исследования проводились и был получен ряд интересных результатов. Например, шлирен-методика, хорошо известная в газодинамике, была применена для анализа конвективных движений у поверхности жидкости при испарении в [43]. Было проанализировано движение воды вблизи поверхности и показано, что