Спектральная структура турбулентности и турбулентных потоков в конвективных облаках тропической зоны по данным самолетных наблюдений

• Автор: Струнин, Александр Михайлович
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 138 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
1 Введение
1.1 Пространственная и спектральная структура турбулентности в облаках конвективного развития
1.2 Методы измерения пульсаций скорости ветра и температуры воздуха с борта самолета-лаборатории

1.3 Современные методы спектрального анализа турбулентности и турбулентных потоков

2 Постановка цели и задач исследований

3 Самолетный эксперимент по исследованию турбулентности в тропических конвективных облаках над о. Куба

3.1 Назначение и состав измерительного комплекса

3.2 Расчет пульсаций скорости ветра и температуры

3.3 Выполнение исследований над метеополигоном

4. Особенности структуры турбулентности и турбулентных потоков в

конвективных облаках
4.1 Методы расчета и представления спектральных характеристик турбулентности и турбулентных потоков тепла и импульса в облаках
4.2 Метод введения поправки на водность облака в измеренную температуру воздуха и ее пульсации
4.3 Оценка погрешностей измерения температуры и ее пульсаций в облаках и апробация метода
4.4 Особенности спектральной структуры турбулентности в облаках конвективных форм
5 Заключение ..■
Список используемой литературы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ВДТ - высокочастотный датчик температуры
ДУ - датчик ускорений
ВК - выключатель коррекции
ИВО - измеритель водности облаков
ППД - приемник полного давления
ПТДК - пульсационный термодинамический комплекс
ЦАО - Центральная аэрологическая обсерватория
ЦГВ - центральная гировертикаль
Си hum., humilis - кучевые плоские облака
Си med., mediocris - кучевые средние облака
Си cong., congestus - мощные кучевые облака
СЬ - кучево-дождевые (грозовые) облака
GPS - Global Navigation System
INS - Inertial Navigation System
1 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Турбулентность - хаотически неупорядоченное движение объемов воздуха самых различных масштабов - является одним из характерных свойств атмосферных воздушных течений, изучение ее необходимо для решения ряда теоретических и прикладных задач. Турбулентность играет одну из наиболее важных ролей в образовании и развитии облаков различных форм, атмосферных фронтов и циклонов, а в тропической зоне Земли - и в возникновении ураганов [3]. Наиболее ярко выраженными зонами в атмосфере, где развивается турбулентность, являются планетарный пограничный слой, струйные течения на высотах и облака. Особенности динамической структуры однородного пограничного слоя довольно хорошо известны, основы которой были заложены
А.М. Обуховым (см. сборник статей, [48]) и A.C. Мониным (в кн. [47]). Для моделирования приземного слоя использовалась теория подобия Монина-Обухова [46], где в качестве одного из основных параметров использовался масштаб Обухова [49]. Теоретические и экспериментальные основы атмосферной турбулентности изложены в фундаментальных трудах A.C. Монина и А.М. Яглома [45]. Экспериментальные материалы по изучению пограничного слоя аккумулированы в ряде работ [35; 117; 5; 88; 95; 33; 62]. В последние годы можно отметить и существенные продвижения в исследовании структуры неоднородного пограничного слоя атмосферы (см., например, [50; 61; 107]). В литературе имеются достаточно обширные сведения и о так называемой «турбулентности ясного неба», обычно возникающей на границах струйных течений и существенным образом влияющей на безопасность полетов самолетов ([3; 9]).
Однако особую важность для изучения атмосферы имеет турбулентность в облаках различных типов (форм) и окружающей их атмосфере, которую принято называть облачной атмосферой [42]. Следует отметить, что количество и полнота сведений о турбулентности в облаках и облачной атмосфере явно уступают данным о турбулентности пограничного слоя атмосферы.

полусферических приемников давления. Аналогичный метод использовали в своих работах и американские исследователи [78]. Несмотря на частотные ограничения данного метода, он обладает и рядом преимуществ. В частности, на измерения угла атаки не влияет воздействие облачных частиц, аэродинамические возмущения и вибрации.
Истинная воздушная скорость самолета и и истинная температура воздуха Г обычно вычислялись по известным газодинамическим уравнениям [1]:
— = (1+0,2М2)~‘ (1.2.7) Р

, к-1 ,.2 (1.2.8)
1+ rM v ’

U = Kvm4t (1.2.9)
где М - число Маха полета, где р0 - полное давление набегающего потока на самолет, р - статическое давление в потоке, 7} - измеренная температура воздуха, г - коэффициент восстановления датчика температуры, определяемый экспериментально для каждого типа датчиков (см. раздел 1.2.2 настоящей диссертации), к - показатель адиабаты (для воздуха к = 1,4), К и =72,149 мс-1К'|/2 -размерный коэффициент, определенный теоретически для воздушной скорости, измеряемой в мс'1 [34].
Пульсации горизонтальной компоненты скорости ветра для условий горизонтального установившегося полета могут быть рассчитаны из соотношения (см. формулу (1.2.3)):
// = -U + WU + U sinAasinAO + U sinAa (1.2.10)
Здесь горизонтальная компонента путевой скорости самолета может быть определены либо по данным инерциальной навигационной системы, либо по системе глобального позиционирования GPS.
Приведенный выше краткий обзор показал, что в настоящее время существуют методы, позволяющие проводить надежные измерения турбулентных