Экспериментальные исследования тонкой структуры течений и динамики осцилляций тел нейтральной плавучести в непрерывно стратифицированных средах

• Автор: Приходько, Юрий Васильевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

1. Исследования течений, образующихся при вынужденных и свободных колебаниях тел нейтральной плавучести в непрерывно стратифицированных средах
2. Теоретические модели генерации движений непрерывно стратифицированных жидкостей при осцилляциях трехмерных тел

2.1. Краткий исторический обзор

2.2. Уравнения движения и граничные условия

2.3. Масштабный анализ задачи генерации движений телом, совершающим периодические движения

2.4. Генерация внутренних волн компактными источниками

2.4.1. Генерация волн свободно осциллирующими телами на горизонтах нейтральной плавучести
2.5. Осцилляции свободного шара на горизонте нейтральной плавучести в непрерывно стратифицированных средах
3. Методика высокоразрешающих экспериментов с использованием оптических и контактных методов измерений

3.1. Экспериментальная установка

3.2. Согласование теневого прибора типа ИАБ с современными фото и видео аппаратами

3.3. Программа ввода и обработки измерительной информации
4. Экспериментальные исследования колебаний тел нейтральной плавучести в непрерывно стратифицированной жидкости
4.1. Структурные элементы течений, образующихся при свободных колебаниях шаров нейтральной плавучести в непрерывно стратифицированной жидкости
■■ -V V' *
4.2. Динамика формирования и характеристики стратифицированных течений около осциллирующего шара нейтральной плавучести

4.2.1. Изучение характеристик течения при различных параметрах процесса
4.2.2. Сравнение результатов расчетов и траекторных измерений
4.3. Влияние формы тела нейтральной плавучести на структуру течений, возникающих при его свободных осцилляциях. Влияние ориентации тела на характеристики течения
4.3.1. Свободные колебания вытянутых цилиндрических поплавков с закругленным торцом
4.3.2. Свободные колебания тел вращения сложной формы на свободной поверхности и на горизонтах нейтральной плавучести
4.3.3. Наблюдение полосчатых структур, образующихся при погружении цилиндра с плоскими торцами. Влияние ориентации тела на характеристики
течения
5. Экспериментальные исследования тонкой структуры течений, образующихся при вынужденных колебаниях тел в непрерывно стратифицированной жидкости
5.1. Течения, возникающие при вынужденных колебаниях шара
5.2. Течения, возникающие при вынужденных колебаниях диска
Заключение
Список используемых источников

Актуальность темы
История исследования свободных и вынужденных движений тел и индуцируемых ими течений жидкости весьма продолжительна. Задачи свободного падения и осцилляций шаров привлекали внимание таких ученых, как Галилео Галилей, Исаак Ньютон, П.-С. Лаплас, А. Ампер, Ч.А. Кулон, Д.И. Менделеев, Л. Прандтль, Ж. Эйфель и др. В середине 20 века начались исследования колебаний тел, плотность которых близка к плотности среды, применительно к динамике заякоренных и свободно дрейфующих поплавков в океане, аэростатов и дирижаблей в воздухе, навигации подводных аппаратов. Двумерная задача о колебаниях поплавков специальной формы на границе раздела двух идеальных жидкостей была решена Л.Н. Сретенским в 1937 г. [1]. Развитая методика легла в основу расчетов колебаний поплавков специальной формы [2], которые одновременно изучались экспериментально [3]. Однако в этих экспериментах не изучалось движение жидкости.
Задача о колебаниях уравновешенных тел в непрерывно стратифицированной идеальной жидкости рассматривалась в монографии [4], а так же в работах [5, 6]. Рассчитанные характеристики движений тела не согласуются между собой. Изучению колебаний тел нейтральной плавучести способствовала разработка новых автономных инструментов для изучения распространения звука и структуры глубоководных течений в толще океана [7] - буев нейтральной плавучести (программы “СОФАР” [8] и “АРГО” [9]). Результаты полунатурных измерений движений поплавков (морские поплавки бросались в глубоководные озера) только частично подтвердили предварительные оценки [10].
При расчете движения поплавков учитывается унос энергии излучаемыми волнами и формирование присоединенной массы, влияющие на инерционные свойства тела. Реальная картина обтекания поплавков является достаточно сложной, в ней присутствуют малые и большие вихри, спутный след, а в последние годы были визуализированы и достаточно энергичные, но короткоживущие автокумулятивные струи. Протяженные струи наблюдались при осцилляциях шаров нейтральной плавучести вне границ горизонтов осцилляций тела. [11, 12, 13]. Природа образования таких струй остается неизученной, адекватное математическое описание наблюдаемых течений не создано.
Анизотропия и сложный закон дисперсии внутренних волн в непрерывно стратифицированных средах выделяют их из класса более хорошо изученных, таких как акустические или короткие поверхностные волны. Математические проблемы теории внутренних волн, обусловленные сложностью определяющих уравнений, полностью не разрешены даже в линейном приближении. В последние годы, наряду с волнами, стали

Был разработан специальный механизм, который включает посадочное гнездо, размер которого выбирается с учетом формы и размеров пускаемого тела и грейферный фиксатор. Контроль устойчивости работы пускового механизма проводился по регистрации траектории начального движения тела и определения величины его отклонения от вертикали после затухания всех движений. Проведенные опыты показали, что устройство работает достаточно надежно. Фотография пускового механизма приведена на Рис. 5, а. Определение стартовой высоты и положения поплавка на уровне нейтральной плавучести осуществлялось с помощью катетометра В-630 после полного затухания всех движений.
Измерительная система включала блоки оптических и контактных измерений.
Контактные измерения проводились с помощью “одноэлектродного” датчика удельной электропроводности конструкции Ю.С. Ильиных, который помещался в выбранную точку бассейна или перемещался вдоль выбранного направления с помощью сканирующего устройства, показанного на Рис. 5, б. Чувствительный элемент датчика -торец ячейки, внешним электродом которой является никелевый капилляр диаметром 0.5 мм, внутренним - платиновая проволока диаметром 0.2 мм, разделенные диэлектриком. Датчик включался в мостовую схему и питался источником радиоимпульсов с большой скважностью для уменьшения влияния поляризационных эффектов. Регистрация выходного сигнала датчика велась на самописце Н3031/3 или компьютере.
Перед началом опытов датчик тарировался методом подъема или погружения на высоту 2 см. Такая тарировка позволяет непосредственно определять вертикальные смещения частиц в поле с заданным значением градиента плотности. Чувствительность датчика была достаточно высокой и позволяла разрешать текущее значение периода плавучести по регистрации колебаний, вызванных плотностным маркером - следом за вертикально погружающимся кристаллом соли размером менее 2 мм.
Фотография экспериментальной установки приведена на Рис. 6. Лабораторный бассейн 1 установлен на массивном металлическом столе, опирающемся на виброопоры для уменьшения механических помех. Осветительная и приемная части теневого инструмента 2 установлены на собственные регулируемые фундаменты, на которых также располагается оптическая скамья с регистрирующей аппаратурой 4, сопряженной с теневым прибором вспомогательным объективом 3. Наличие жесткого фундамента обеспечивает надежную регистрацию теневого изображения без необходимости обеспечения жесткой механической связи прибора и видеоаппаратуры. Опыты проводятся как при визуальном контроле процесса (на приводимой фотографии виден окуляр), так и