Экспериментальное изучение переноса тепла и водяного пара в снеге

• Автор: Сократов, Сергей А.
• Шифр специальности: 11.00.00
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Саппоро
• Количество страниц: 117 с. : ил.

Аннотация
Значение работ по определению величин эффективного коэффициента теплопроводности снега и эффективного коэффициента диффузии водяного пара в снеге определяется необходимостью использования этих величин в большинстве климатических моделей, включающих в себя снежный покров, а также в прогнозировании снежных лавин. Несмотря на большое количество таких работ, экспериментально полученные к настоящему времени величины теплопроводности снега значительно отличаются от исследования к исследованию, а экспериментальные данные по коэффициенту диффузии не согласуются с теоретическими представлениями переноса пара в пористой среде. В связи с этим в холодной лаборатории Института Изучения Низких Температур была проведена серия экспериментов с основной целью понять причины такого разногласия данных.
Эксперименты проводились следующим образом: температура на одном торце снежного образца (плотность снега от 199 до 518 кг-м'3, поперечное сечение 18x18 см, длина от 10 до 40 см) с изначально однородной температурой, внезапно повышалась на некоторую величину. Получившаяся разница температур между противоположными торцами (от 7 до 12°С) сохранялась продолжительное время (от 1 до 24 дней). Образцы располагались таким образом, чтобы получавшиеся потоки тепла и влаги были направлены либо в горизонтальном направлении, либо в вертикальном (в некоторых экспериментах снизу вверх, в некоторых сверху вниз). Распределения температуры внутри снежных образцов производились термопарами с 10 мин интервалом. Термопары были расположены через каждые 2 см на центральной оси образца, параллельной потокам. Для измерения плотности снега образцы после окончания эксперимента разрезались по поперечным сечениям образца перпендикулярно направлению потоков на односантиметровые пластины. Таким образом удавалось определить распределение плотности снега по длине образца. В дополнение к вьпнеописаным экспериментам определялся коэффициент диффузии СО, в снеге, не подверженном воздействию температурного
градиента.
Наблюдавшиеся квази-стационарные распределения температуры в снеге имели волнообразный характер. “Волны” накладывались на осреднённое температурное распределение, которое имело характер выпуклой к “тёплому” торцу кривой, и имели длину от 3 до 5 см. Аналогичные “волны” были обнаружены и на распределениях плотностей снега.
Полученные результаты позволяют интерпретировать одновременный перенос тепла и водяного пара в снеге как чередование процессов испарения и конденсации по длине образца. Каждая “волна” может быть представлена как две соседние зоны—испарения и конденсации. В зоне испарения градиент температуры значительно превышает осреднённый по всему образцу градиент, в зоне конденсации измеряемая температура является результатом процесса выделения скрытого тепла парообразования.
Рассчитанные из локальных температурных градиентов величины эффективного коэффициента диффузии водяного пара в снеге находились в пределах от 0.9 до 1.8х10'5 м2-с' что ниже величин коэффициента диффузии водяного пара в воздухе. Рассчитанная из данных по диффузии СО, извилистость пор снега оказалась равной -1.73, что согласуется с данными других исследователей.
Более высокие величины эффективного коэффициента диффузии водяного пара в снеге, полученные в предшествующих исследованиях, могут быть объяснены использованием в рассчётах осреднённых по длине образца градиентов температуры, хотя истинные градиенты, отвечающие за массоперенос, значительно выше осреднёных из-за формирования не обнаруженных ранее “волн”.
Содержание
Аннотация
Содержание
1. Введение
1.1 Предпосылки изучения процессов тетю- и массопереноса в снеге
1.2 Предшествующие исследования по эффективной теплопроводности снега
1.3 Предшествующие исследования по эффективному коэффициенту диффузии водяного пара в снеге
1.4 Процессы влияющие на тепло- и массоперенос в снеге
1.5 Основные выводы из предшествующих исследований по тетю
массопереносу в снеге
1.6Цели настоящего исследования
2. Экспериментальная работа
2.1 Экспериментальное оборудование для изучения потоков тепла и водяного пара
2.2 Методика экспериментов т изучению потоков тепла и водяного пара
2.3 Эксперименты по определению коэффициента диффузии С02 в снеге16
2.4 Диэлектрические измерения в снеге
2.5 Анализ структуры снега
2.6 Краткое обобщение представляемой экспериментальной работы
3. Результаты экспериментов
3.1 Температурное распределение в снеге
3.2 Распределение плотности снега в образцах
3.3 Диффузия СО2 через снег
В данных рассчётах значения эффективной теплопроводности снега, в основном, повышаются в направлении к “холодным” торцам. Это повышение не может быть отнесено к изменению температуры в образце, так как зависимость эффективной теплопроводности снега от температуры составляет всего лишь 0,17% на 1°С [47], что на два порядка ниже получаемого изменения. Изменение плотности снега в результате массопереноса так же не могло привести к столь значительной разнице в эффективных теплопроводностях, за короткий период “прогревания” плотность не могла настолько измениться, а за время квазистационарности не было заметно значительного изменения характера температурного распределения. Результаты измерений плотности по окончании эксперимента не объясняют полученный разброс значений эффективной теплопроводности. Плотность потока водяного пара могла изменяться с координатой, но не должна была изменять равномерность общего потока тепла через образцы (Уравнение 2).
Вышеизложенное заставляет заключить, что столь значительное различие в рассчитанных значениях эффективной теплопроводности снега между “тёплым” и “холодным” торцами означает невозможность использования Уравнения 1 для рассчётов теплопроводности при данных условиях эксперимента. Интересным фактом является то, что рассчётные значения эффективной теплопроводности тем выше, чем больше расстояние между точками измерения, то есть данные говорят о наличие процесса, участвующего в теплопереносе, но не отмечаемого распределением температуры при слишком большом расстоянии между термопарами.
Одним из объяснений “кривизны” распределения температуры может быть воздействие на поток водяного пара непроницаемой стены на “холодном” торце образцов. Если в “тёплой” части образца превалирует испарение, а в “холодной”— конденсация, то распределения температуры могут, теоретически, быть похожи на полученные в данной серии эксперимента, хотя такой процесс и не подтверждается данными по плотности снега.