Экспериментальное исследование концентрированных вихрей в открытом пространстве

• Автор: Матвеев, Иван Васильевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 100 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ТЕПЛОВЫХ СМЕРЧЕЙ
1Л Обзор литературных источников, посвященных изучению смерчей
1.2 Теоретические и экспериментальные исследования тепловых смерчей в нашей стране и за рубежом
1.3 Выбор определяющих процесс параметров и критериев подобия решаемой задачи
1.4 Объект исследования
2 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВЫХ СМЕРЧЕЙ
2.1 Описание экспериментальных установок, использованных для
моделирования одного и двух тепловых смерчей
2.2 Методики определения термогазодинамических параметров тепловых смерчей
2.3 Методика определения значений скорости с помощью ЛДИС
2.4 Обработка данных и теория планирования эксперимента
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОЙ СТРУИ
3.1 Результаты экспериментов и их статистическая обработка
3.2 Построение границы устойчивости конвективной струи
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СМЕРЧА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАЛЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ
4.1 Результаты экспериментальных исследований и их обработка
4.2 Визуализация влияния акустических колебаний на тепловой смерч
4.3 Результаты измерения пульсаций скорости с помощью ЛДИС и их анализ
4.4 Построение границы устойчивости теплового смерча
5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ ТЕПЛОВЫХ СМЕРЧЕЙ
5.1 Результаты наблюдений и проведенных экспериментов
5.2 О физической модели взаимодействия двух смерчей
ВЫВОДЫ
Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ
Среди огромного количества вихревых движений отчетливо выделяются концентрированные вихри, их изучение представляет огромный интерес с точки зрения фундаментальных исследований и практики [1]. Наиболее яркими примерами концентрированных вихрей являются вихревая пелена, вихревая нить, бесконечно тонкое вихревое кольцо конечного диаметра. Более сложные структуры, такие как вихрь Рэнкина и вихрь Бюргерса наиболее хорошо отражают реальные атмосферные вихри и смерчи.
Смерч - это чрезвычайно быстро вращающаяся воздушная воронка, образующаяся из кучево-дождевого облака [2]. При полном развитии воронка смерча достигает земли и приводит к катастрофическим разрушениям [2-4]. По одной из теорий возникновение смерча происходит из материнского облака попадающего, например, в область между циклонным и антициклонным вихрями, которые сообщают ему вращательную скорость [3]. Вращающееся материнское облако порождает воронку и атмосферный смерч. Размеры смерчевого облака достигают 5 - 10 км в диаметре и до 4 - 5 км в высоту.
На оси симметрии вихря, вследствие конвективного теплового потока, создается область пониженного давления из-за более высокой температуры [5]. Парадокс существования смерча заключается в том, что он представляет собой устойчивую с точки зрения гидродинамики, структуру, т. к. закрутка газа или жидкости должна приводить к уширению струи, увеличению ее ядра из-за центробежных сил, к турбулизации течения [5, 6].
Лабораторными исследованиями вихрей в газе и в жидкости занимаются давно, как в нашей стране, так и за рубежом [7-9]. Интенсивные и локализованные атмосферные вихри торнадо самые неизученные, поскольку их изучение в природных условиях практически невозможного. Поэтому моделирование тепловых смерчей в лабораторных условиях является актуальной задачей.
Цель работы - исследование влияния акустических колебаний на

структуру течения в конвективной струе. Физическое моделирование тепловых смерчей в лабораторных условиях и изучение влияния звуковых колебаний на устойчивость теплового смерча (как одного из способов борьбы с ним). Моделирование двух тепловых смерчей в лабораторных условиях, изучение их влияния друг на друга.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучение структуры течения в конвективной струе при воздействии на нее малых энергетических (акустических) возмущений.
2. Формирование тепловых смерчей в лабораторных условиях путем закрутки восходящей конвективной струи за счет вращения снизу и сверху основания подложки и лопастей вентилятора.
3. Исследование влияния акустических колебаний на формирование и устойчивость теплового смерча.
4. Исследование взаимного влияния двух тепловых смерчей.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Определение профилей термогазодинамических характеристик конвективной струи при воздействии на нее акустических возмущений.
2. Экспериментальные установки для моделирования одного и двух тепловых смерчей тепловых смерчей в открытом пространстве.
3. Механизм разрушения теплового смерча путем воздействия на него акустических колебаний.
4. Механизм взаимодействия двух тепловых смерчей.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. На основании экспериментальных данных по гидродинамической структуре течения газа в конвективной струе построена диаграмма устойчивости течения.
2. В лабораторных условиях осуществлено физическое моделирование одного и двух тепловых смерчей в открытом пространстве.
3. Показано, что акустические колебания оказывают влияние на структуру течения в тепловом смерче и могут его разрушать.

Рисунок 9 - Схема экспериментальной установки для моделирования тепловых
смерчей закруткой сверху
На рисунке 10 изображена схема экспериментальной установки, использованной для исследования конвективной струи [51, 71]. Она состоит из стационарного источника тепла - 1 внутри которого размещались нагревательные элементы - 2. С целью ликвидации неравномерного нагрева на поверхности источника тепла устанавливалась медная пластина 3 толщиной 1 см и диаметром 19 см, датчика - 4 (хромель-алюмелевая термопара, термоанемометр, датчик теплового потока), расположенного на штанге - 5, закрепленной с помощью координатника - 6 на штативе и динамика - 7.