Физическое моделирование одного и двух тепловых смерчей

Реферат

Физическое моделирование одного и двух тепловых смерчей

2010

В огромном многообразии вихревых движений отчетливо выделяются концентрированные вихри, которые привлекают повышенный интерес с точки зрения как фундаментальных исследований, так и практики. Достаточно четкое определение концентрированного вихря можно дать для случая идеальной жидкости: это локализованная в пространстве область с ненулевой завихренностью, окруженная потенциальным течением.

Среди природных явлений, имеющих отношение к концентрированным вихрям, несомненно, следует назвать смерчи. Однако именно смерчи и торнадо являются самыми неизученными по причине невозможности исследования их в природных условиях. Поэтому моделирование тепловых смерчей в лабораторных условиях является актуальной задачей.

Целью данной работы является физическое моделирование теплового смерча типа торнадо в лабораторных условиях, исследование формирования и взаимодействия друг с другом двух смерчей. В [1] показано, что если два вихря имеют одинаковую интенсивность, но вращаются в разные стороны, то они будут двигаться поступательно по горизонтальной подстилающей поверхности с сохранением расстояния между ними. Объектом исследования был созданный в лабораторных условиях тепловой смерч. Моделирование осуществлялось с помощью экспериментальных установок, основанных на закрутке восходящего конвективного потока снизу (вращением нижнего основания) и сверху (вращением лопастей вентилятора). Для визуализации картины течения в смерче использовались частички канифоли, находящейся на нагревательном элементе. Моделирование тепловых смерчей осуществлялось в лабораторных условиях с помощью экспериментальных установок, основанных на закрутке восходящего конвективного потока снизу и сверху. На рисунке 1 показано устройство экспериментальной установки, основанной на закрутке восходящего конвективного потока вращением нижнего основания. Она состоит из электродвигателя – 1, основания – 2, регулятора напряжения – 3, круглого диска – 4, с закрепленным на нем источником тепла, выполненным в форме цилиндрического диска – 5. Внутри диска размещались электрические нагревательные элементы – 6. Частота вращения вала электродвигателя с диском и нагревателем задавалась с помощью регулятора напряжения и варьировалась в пределах ω = (0÷1,8) Гц.

Рис. 1 - Схема экспериментальной установки для моделирования теплового смерча закруткой снизу.

На рис. 2 показано устройство экспериментальной установки, основанной на закрутке восходящего конвективного потока вращением лопастей вентилятора (сверху). Она состоит из двух вентиляторов – 1, двух электрических плиток – 2, нагревательных элементов – 3, термоанемометра – 4, регулятора напряжения – 5.

Рис. 2 – Схема экспериментальной установки для моделирования тепловых смерчей закруткой сверху.

Экспериментальные методы измерений кинематических параметров нестационарных вихревых потоков достаточно сложны и требуют использования развитых и самых современных методов диагностики. В процессе проведения экспериментов измерялись: профили скорости w вдоль координаты y с помощью крыльчатого анемометра и температуры T термоэлектрическим методом с помощью хромель-алюмелевой термопары с диаметром спая 2·10^{-4 м; плотность теплового потока} q экспоненциальным методом с помощью датчика теплового потока с теплоизолированным чувствительным элементом из материала с высоким значением коэффициента удельной теплопроводности (из меди); контролировалась угловая скорость вращения основания с источником тепла.

Датчики для измерений T, q, w жестко крепились к штативу и помещались в рабочую часть теплового смерча. Время регистрации параметров струи в контрольной точке составляло (10¸15) с. Суммарные погрешности определения параметров не превышали: δT≤5%; δw≤9%; δq≤10%. Наряду с этим измерялись профили скорости вдоль координаты x с помощью лазерной доплеровской измерительной системы (ЛДИС) для диагностики газожидкостных потоков ЛАД-05М с погрешностью δV≤0.1%. Также были проведены измерения скоростей с помощью термоанемометра ТПС-3 с погрешностью δV≤1.0%.

При проведении экспериментов рассматривался вопрос о возникновении и дальнейшем поведении теплового смерча, а так же об изменении его геометрических размеров. Тепловой смерч появлялся в достаточно узком диапазоне частот вращения основания (0,7÷1,8 Гц), причем как при значении, близком к 0,7 Гц, так и при близком к 1,8 Гц, смерч становился неустойчивым.

В таблице 1 приведены геометрические размеры теплового смерча в зависимости от частоты вращения нижнего основания.

Таблица 1 – Геометрические размеры теплового смерча.

Полученные в лабораторных условиях вихревые структуры можно отнести к вихрям Бюргерса, для которых для эффективного радиуса r_m и вертикальной компоненты скорости W справедливы соотношения (1) и W=αz где α=const, ν- коэффициент