Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Экспериментальное исследование концентрированных вихрей в открытом пространстве

Диссертация: Экспериментальное исследование концентрированных вихрей в открытом пространстве
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Всероссийская молодежная научная конференция «Современные проблемы математики и механики» (Томск, 2010), Всероссийскя конференция с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» (Томск, 2010), XI Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск… Читать ещё >

Экспериментальное исследование концентрированных вихрей в открытом пространстве (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СМЕРЧЕЙ
  • 1. Л 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

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 3 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. 4.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что в диссертационной работе показано, что при воздействии на тепловой смерч акустических колебаний с заданными амплитудно-частотными характеристиками происходит их резонансное взаимодействие с турбулентными пульсациями газа в смерче, что, вероятно, и приводит к его разрушению. Полученные экспериментальные результаты по гидродинамической и тепловой структуре течения газа могут быть использованы в качестве базы данных для создания адекватных реальному процессу математических моделей концентрированных вихрей.

Достоверность экспериментальных результатов работы обеспечена использованием в диссертации различных независимых методик определения термогазодинамических параметров в смерчах, доказана на основе статистической обработки результатов измерений и их сравнением с экспериментальными и теоретическими данными российских и зарубежных авторов, опубликованными в научной литературе.

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробировались на 9 международных и региональных конференциях, таких как научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ММФ, посвященная трехсотлетию со дня рождения Леонарда Эйлера (Томск, 2007), международная конференция «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии» (Томск, 2007), VI Минский международный форум по тепло-массообмену (Минск, 2008), научная студенческая конференция, посвященная 130-летию Томского государственного университета и 60-летию механико-математического факультета (Томск, 2008),.

Всероссийская молодежная научная конференция «Современные проблемы математики и механики» (Томск, 2010), Всероссийскя конференция с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» (Томск, 2010), XI Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2010), Международная 5 конференция «Седьмые Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2011), X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011).

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК.

Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики механико-математического факультета Томского государственного университета.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 73 наименований на русском и иностранных языках. Работа содержит 100 страниц текста, 51 рисунок и 9 таблиц.

выводы.

1. В лабораторных условиях проведено физическое моделирование теплового смерча. В открытом пространстве тепловые смерчи существуют при угловой частоте вращения f == (0,7-М, 8) Гц, что свидетельствует о неустойчивости процессов течения газа и теплообмена в них.

2. Используя характеристические масштабы и основываясь на теории размерностей, выбраны и рассчитаны критерии подобия процессов течения и теплообмена газа в тепловых смерчах.

3. Показано, что образованный в лабораторных условиях концентрированный вихрь частично моделирует натурный смерч, а именно, отношение высоты вихря к диаметру Н/с1 = (11 -т- 15), в натурных явлениях Н/с1 = (4 -т- 30), соотношения скорости вращения, радиуса и тангенциальной скорости дают схожие величины.

4. При исследовании конвективной струи был получен эффект, подобный анулярному эффекту Ричардсона для движения жидкости в трубе, связанный с искажением классических профилей скорости и температуры при воздействии на течение акустических колебаний. Дана интерпретация полученной картины течения, в соответствие с которой, в точках перегиба профиля скорости зарождается неустойчивость, образующиеся вихри выносят более нагретый газ из приосевой зоны к границам струи, тем самым повышая температуру в этих областях.

5. Экспериментально исследовано влияние акустических колебаний на формирование и устойчивость теплового смерча. Найдены значения акустических частот (100, 200, 300 Гц), при которых наблюдается разрушение вихря. Посчитаны значения корреляционной функции между значениями турбулентных пульсаций скорости в смерче и акустическими колебаниями. Построена граница устойчивости течения в тепловом смерче.

6. В лабораторных условиях проведено моделирование взаимодействия двух тепловых смерчей. Экспериментально обнаружен эффект притягивания и отталкивания двух вихрей.

Показать весь текст

Список литературы

  1. C.B., Куйбин П. А., Окулов В. Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. Новосибирск: ИТФ СО РАН. — 2003. — 503 с.
  2. Д.В. Ураганы, бури, смерчи. М.: Наука, 1969. — 487 с.
  3. Д.В. Смерчи. М.: Наука, 1984. — 111 с.
  4. В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. М.: Наука. ГРФМЛ, 1989.- 133 с.
  5. A.M., Катаева Л. Ю. Математическая модель выброса жидкостей из прудов-отстойников под действием интенсивного атмосферного смерча и ее приложения. Томск: Изд-во Томского университета, 1999. — 45 с.
  6. Г. Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1960. 715 с.
  7. Интенсивные атмосферные вихри/Под ред. Бенгтссона Л., Лайтхилла Дж. -М.: Мир, 1985.-368 с.
  8. A.M. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука. — 1992. — 407 с.
  9. Snegirev A.Yu., Mardsen J.A., Fransis J., Makhviladze G.M. Numerical studies experimental observation of whirling flames // International Journal Heat and Mass Transfer 47 (2004) P. 2523−2539.
  10. Л. Смерчи и шквалы. M.: Знание, 1981. — 48 с.
  11. А.Ф. Бури и смерчи// Природа. М.: София, 1986. № 7. — С.80−84.
  12. Л.Х., Прох А. И. Смерчи и шквалы умеренных широт. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-31 с.
  13. A.M. Моделирование и прогнозирование катастроф. Томск: Изд-во ТГУ, 2002. — 122 с.
  14. В.П. Аэродинамика в природе и технике. М.: Просвещение, 1985.
  15. В.В. Распад вертикального торнадоподобного вихря. // ПМТФ. -1992.-№ 4.-С. 42−47.
  16. В.В. Аналог уравнений вихревой мелкой воды для полых и торнадоподобных вихрей. Высота стационарного торнадоподобного вихря // ПМТФ. 1992. — № 2. — С. 45−52.
  17. .М. Термическая структура и турбулизация торнадоподобных вихрей от локализованных источников тепла над вращающимся диском // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1997. — Т. 33. -№ 4. — С. 434 442.
  18. Lamb Н. Hydrodynamics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1932.
  19. Saffman P.G., Baker G.R. Vortex interactions // Annu. Rev. Fluid Mech. -1979.-Vol. 11.-P. 95−122.
  20. Hopfmger E.J., van Heijst G.J.F. Vortices in rotating fluids // Annu. Rev. Fluid Mech. 1993. — Vol. 25. — P. 241−289.
  21. Burgers J.M. Application of model system to illustrate some points of the statistical theory of free turbulence // Proc. Acad. Sci. Amsterdam. — 1940. -Vol. l.-P. 2−12.
  22. Burgers J.M. A mathematical model illustrating the theory of turbulence // Adv. Appl. Mech.- 1948.-Vol. l.-P. 197−199.
  23. Rott N. On the viscous core of a line vortex // Z. Angew. Math. Phys. 1958. -Vol. 9.-P. 543−553.
  24. A.M., Голованов A.H., Суков Я. В. Физическое моделирование огненных смерчей.// Докл. АН. Т. 395. — № 2. — М.: Наука, 2004. — С. 196 -198.
  25. Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука. 1972. — 440 с.
  26. А.А. Введение в теорию подобия.- М.: Высшая школа. 1963- 225 с.
  27. А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. М.: Высшая школа. 1967. — 304 с.
  28. А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа. 1967. — 600 с.
  29. .В., Гришин A.M. Курс лекций по аэротермохимии. Томск: Изд-во Томского ун-та. 1979. — 330 с.
  30. Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.
  31. А.Г. Международная система единиц измерений. М.: Изд-во Высшая школа, 1967. 287 с.
  32. А.Г. Физические величины. М.: Изд-во Высшая школа, 1990. 334 с.
  33. С.С. Анализ подобия и физические модели. Новосибирск: Наука, 1986. 295 с.
  34. С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. М.: Машгиз, 1952. 231 с.
  35. Г. Теория пограничного слоя. М: Наука, 1974. — 711 с.
  36. А. А. Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей. Дисс. на соиск. уч. степени канд. физ.-мат. наук. Томск, -2007. -132с.
  37. В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.
  38. Ю.В., Юревич Ф. Б. Тепловая защита. М.: Энергия. — 1976. -390 с.
  39. В.Е., Голованов А. Н., Альперт С. И. Определение некоторых параметров низкотемпературной плазменной струи. / Газодинамика неравномерных процессов. Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1981. -С. 3−5.
  40. А.Н. Лабораторные работы по аэротермохимии. Методические указания. Изд-во Томского гос. ун-та, 1990. — 21 с.
  41. Лазерная доплеровская измерительная система (ЛДИС) для диагностики газожидкостных потоков ЛАД-05М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / Меледин В. Г. и др. Новосибирск: ИТ СО РАН, 2007. -74 с.
  42. Д. Статистика для физиков. М.: Мир. 1970. — 296 с.
  43. Математическая теория планирования эксперимента / Под. ред. С. М. Ермакова. -М.: Наука. 1983. 391 с.
  44. М.Б., Кумок В. Н. Лекции по планированию эксперимента. -Томск: Изд-во Томского ун-та. 1977. 132 с.
  45. А.Г., Статюха Г. А. Планирование эксперимента в химической технологии. Киев: Вища школа. 1976. — 183 с.
  46. К., Лецкий Э. и др. Планирование экспериментов в исследовании технологических процессов. М.: Мир. 1977. — 552 с.
  47. Г. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. 382 с.
  48. ., Джалурия П., Махаджан Р., Саммакия Б. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен. М.: Мир, 1991. -678 с.
  49. Р. Г., Репин В. Б., Халитов H. X. Течение вязкой жидкости и теплообмен тел в звуковом поле. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1978.
  50. А.Н. Об акустическом воздействии на параметры течения и теплообмен составной струи в набегающем потоке // ПМТФ. 1989. — № 1. -С. 153−158.
  51. А.Н. Влияние акустических возмущений на свободно-конвективное течение // ПМТФ. 2006. Т. 47. — № 5. — С. 27−35.
  52. Loiseleux T., Chomaz J.M., Huerre P. The effect of swirl on jets and wakes: linear instability of the Rankine vortex with axial flow// Phys. Fluids. 1998. -Vol. 10, N5-P. 1120- 1135.
  53. A.M., Голованов А. Н., Колесников A.A., Строкатов A.A., Цвык Р. Ш. Экспериментальное исследование тепловых и огненных смерчей // Докл. АН. Т. 400. — № 5. — М.: Наука, 2005. — С. 618−620.
  54. A.A. Физическое моделирование огненных смерчей // Изв.
  55. Вузов. Физика. 2006. — № 3. — С. 254−255.97
  56. A.M. Аналитическое решение задачи о возникновении огненного смерча // Экологические приборы и системы. 2006. № 6. — С. 50−51.
  57. A.M., Петрин C.B., Петрина JI.C. Моделирование и прогноз катастроф. Часть 3. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. — 575 с.
  58. С. С. Пристенная турбулентность. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1973.
  59. A.M., Голованов А. Н., Рейно В. В., Сазанович В. М., Строкатов A.A., Суков Я. В., Цвык Р. Ш., Шерстобитов М. В. Лабораторные исследования огненных смерчей // XIII Симпозиум по горению и взрыву, г. Черноголовка, 2005. С. 75.
  60. A.M., Медюхина Е. В. Приближенное аналитическое решение задачи об огненном смерче // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Материалы Международной конференции. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. С. 75.
  61. А. М. Взаимодействие акустического поля с тепловым смерчем /
  62. A. M Гришин, А. Н. Голованов, И. В. Матвеев, А. А. Строкатов //98
  63. Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии: Материалы Международной конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007, С. 50−55.
  64. А. М. Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей /
  65. A. М Гришин, А. Н. Голованов, И. В. Матвеев, А. А. Строкатов, Р. Ш. Цвык // VI Минский международный форум по тепло- массообмену (Минск, 2008 г.): тезисы докладов и сообщений, том 1, С. 201−202.
  66. А. М. Теоретическое и экспериментальное исследование теплового смерча / А. М Гришин, А. Н. Голованов, И. В. Матвеев, А. С. Попков // Изв. Вузов. Физика. 2009. — № 2/2. — С. 78−83.
  67. А. О. Исследование влияния малых энергетических возмущений на устойчивость теплового смерча / А. О. Белоусова, А. Н. Голованов, И.
  68. B. Матвеев // Современные проблемы математики и механики: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции Томского государственного университета. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. — С.24−25.
  69. А. О. Исследование влияния акустических колебаний наустойчивость теплового смерча / А. О. Белоусова, А. Н. Голованов, И. В.
  70. Матвеев // Математическое и физическое моделирование опасныхприродных явлений и техногенных катастроф: Материалы Всероссийской99конференции с участием зарубежных ученых. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. С.26−27.
  71. А. О. Исследование влияния малых энергетических возмущений на устойчивость теплового смерча / А. О. Белоусова, А. Н. Голованов, И.
  72. B. Матвеев // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: тез. докл. XI Всерос. школы-конф. молодых ученых. -Новосибирск, 2010. С. 14−15.
  73. И. В. Влияние акустических колебаний на устойчивость теплового смерча 1 И. В. Матвеев // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского Н. Новгород: Изд-во ННГУ им. Н. И. Лобачевского.2011. № 4., 4.2., Т.4. С.672−673.
  74. А. М. О физическом моделировании одного и двух тепловых смерчей / А. М Гришин, А. Н. Голованов, А. О. Белоусова, И. В. Матвеев // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2011. — № 3(15). — С.76−83.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!