Исследование обменных процессов в пограничном турбулентном слое в широком диапазоне условий ветро-волновой обстановки в условия лабораторного моделирования

Автор: Максим Игоревич Вдовин

Соавторы: М.И. Вдовин, Д.А. Сергеев, А.А. Кандауров, Ю.И. Троицкая

Организация: ИПФ РАН

Модели циркуляции атмосферы и океана представляют собой один из основных инструментов климатических исследований, прогнозирования погоды и т.д. При численном моделировании климата и погоды, турбулентные потоки импульса и тепла между атмосферой и океаном количественно выражаются через «балк»-формулы, которые связывают их со средними метеорологическими величинами, измеренными на стандартной высоте 10 м, используя определения коэффициентов обмена импульса (коэффициент сопротивления) и теплом.

К настоящему времени достоверно установлен факт тенденции насыщения аэродинамического сопротивления при скоростях U₁₀ выше 25-27 м/с [1]. Это связывают в первую очередь с влиянием обрушений волн, образованием пены и началом генерации брызг. Экспериментальные данные о зависимости коэффициента теплообмена от скорости ветра характеризуются более значительным разбросом, чем для импульса [1], при этом нет точных данных о влиянии волнения на теплобмен.

На Ветро-Волновом Термостратифицированном бассейне (ВВТСБ) ИПФ РАН были провдены исследования обменных процессов в пограничном турбулентном слое для широкого диапазона скоростей ветра (U10 от 10 до 36 м/с) и параметров волнения. Для возможности изменения параметров волнения при фикисрованном ветре, использовалась заглубленная мелкоячеистая пластиковая сетка, натянутая вдоль канала. При этом сетка не влияла на теплообмен. Для создания перепада температур между водой и ветровым потоком поступающий в канал воздух нагревался до 30-40 градусов. Температура поверхности воды в ходе всех экспериментов поддерживалась постоянной (около 15 градусов).

Рис.1 Зависисмоть от среднеквадратичного уклона волн (крутизны) (а) коэффициента обмена импульсом (б) обмена теплом (в) температурной шероховатости. Черные кружки – отсутствие брызг, белые – наличие брызг. Прямые – линейные аппроксимации.

Показано, что обмен импульсом растет при увелечении скорости ветра и крутизны волнения. Температурная шероховатость практически не зависит от крутизны волнения и резко возрастает при больших скоростях ветра, а коэффициент теплообмена в этом случае растет только за счет того, что он является комбинацией коэффициента обмена импульсом и температурной шероховатости. Отмечено, что: 1) появление брызг приводит к резкому росту температурной шероховатости 2) брызги приводят к увеличению коэффициента обмена импульсом. Таким образом, можно сделать вывод что генрация брызг приводит к увеличению как обмена импульсом, так и теплом. Однако для теплообмена брызги играют решающую роль, т.к. в отличие от обмена импульсом, как было показано, он не зависит от формы подстилающей поверхности.