Лабораторное моделирование течений в толще и на поверхности океана с использованием цифровой велосиметрии
Диссертация
Фоновая плотностная стратификация практически всегда имеет место в окружающей среде (атмосфере или океане) и часто играет главную роль в динамике геофизических щ течений. В стратифицированных по плотности течениях основную роль играют два типа движений: 1) внутренние волны 2) квазидвумерная вихревая мода. Первый тип движения изучен достаточно подробно как в натурных, так и в лабораторных условиях… Читать ещё >
Содержание
- Глава I. Лабораторное исследование течений в жидкости методами Particle Image Velocimetry (Р1У)и Particle Tracing Velocimetry (PTV)
- 1. 1. Введение
- 1. 2. Основные принципы PTV/PIV-методов методов и области их применения. (Обзор)
- 1. 2. 1. Основные принципы PTV-метода
- 1. 2. 1. Основные принципы PIV-метода
- 1. 2. 3. Описание LSV-метода
- 1. 3. Описание модифицированного PTV-метода
- 1. 4. Описание модифицированного PIV/LSV-метода
- 1. 5. Выводы
- Глава II. Экспериментальное исследование течений жидкости PTV/PIV-методами
- 2. 1. Введение
- 2. 2. Применение PTV/PIV-методов для исследования течений в следе за телом, буксируемым в стратифицированной жидкости при больших числах Фруда и Рейнольдса
- 2. 2. 1. Исследование PTV-методами
- 2. 2. 2. Исследование PIV-методами
- 2. 3. Применение PTV-методов для исследования поверхностных течений индуцируемых подводным движением тел
- 2. 4. Выводы
- Глава III. Исследование течения за телом, буксируемым в стратифицированной жидкости при больших числах Фруда и Рейнольдса
- 3. 1. Введение
- 3. 2. Теоретическая модель эволюции течения в следе за телом, буксируемым в стратифицированной жидкости. Сравнение прогнозов теоретической модели с результатами прямого численного моделирования
- 3. 2. 1. Кач ественная физическая модель
- 3. 2. 2. Количественная теоретическая модель эволюции двумерного следа
- 3. 2. 2. 1. Система уравнений
- 3. 2. 2. 2. Квазилинейное приближение
- 3. 2. 2. 3. ВКБ приближение для возмущений
- 3. 2. 2. 4. Упрощенная и «точная» квазилинейная модель 101 3.2.4. Прямое численное моделирование эволюции двумерного следа. Сравнение с прогнозами теоретической модели
- 3. 3. Сравнение прогнозов теоретической модели с данными лабораторных экспериментов
- 3. 4. Лабораторное, численное и теоретическое моделирование течения в дальнем следе в стратифицированной жидкости
- 3. 4. 1. Описание процедуры численного моделирования по данным, полученным в лабораторном эксперименте PIV-методом
- 3. 4,2.Сравнение результатов численного и теоретического моделирования с данными PIV измерений
- 3. 5. Выводы
- 4. 1. Введение
- 4. 2. Описание системы сброса сточных вод города Гонолулу (о. Оаху, бухта Мамала)
- 4. 3. Теоретическая модель течения индуцируемого системами сточных вод
- 4. 3. 1. Условия моделирования плавучих турбулентных струй в лабораторных экспериментах
- 4. 3. 2. Упрощенная теоретическая модель для случая пикноклинного типа фоновой стратификации
- 4. 4. Описание условий лабораторных экспериментов по изучению всплытия турбулентных струй положительной плавучести в стратифицированной жидкости
- 4. 4. 1. Эксперименты с солевой стратификацией
- 4. 4. 2. Эксперименты с температурной стратификацией в
4.6 Оценка возможности выхода сточных вод на поверхность океана на основе масштабного лабораторного моделирования 164 4.8 Пробные эксперименты по возбуждению внутренних волн затопленной плавучей струей.
4.8.Выводы
Список литературы
- Adrian R.J. Particle Imaging techniques for experimental fluid mechanics // Annu. Rev. Fluid Mech. 1991. V 23. P. 261−304.
- Bolinder J. On the accuracy of digital particle image velocimetry system. Lund Inst. Of Tech. Tech. Div. of Fluid Mech. Tech.rep. 1999. 24 p.
- Fincham A.M., Spedding G. R. Low cost, high resolution DPIV for turbulent flows// Exp. Fluids. 1997. V. 23. P. 449−462.
- Westerweel J., Fundamentals of digital particle image velocimetry// Meas. Sci. Technol. 1997. V. 8. P. 1379−1392.
- Nguyen Due J.M., Sommeria JExperimental characterization of steady two-dimensional vortex couples // J. Fluid. Mech. 1988. V. 192. P. 175−192.
- Coutanceau M., Bouard R., Experimental determination of the main features of the viscous flow in the wake of a circular cylinder in uniform translation. Part 1. Steady flow // J. Fluid. Mech. 1977. V. 79. P. 231−256.
- Coutanceau M., Bouard R., Experimental determination of the main features of the viscous flow in the wake of a circular cylinder in uniform translation. Part 2. Unsteady flow // J. Fluid. Mech. 1977. V. 79. P. 257−272.
- Werle H., Gallon M., Aeronaut, and Astronaut. 1972. V. 34. P. 21−23.
- Flor J.B., Van Heijst G.J.F., Stable and unstable monopolar vortices in a stratified fluid // J. Fluid. Mech. 1996. V. 311. P. 257−287.
- БрэдшоуП. Введение в турбулентность и ее измерение. М.:Мир, 1974.450 с.
- Balandina G.N., Druzhinin О. А., Рарко V.V., Sergeev D.A., Troitskaya Yu.I., Far wake of abody towed in a sratified fluid at large Reynolds and Froude numbers // J. Non. Proc. Geoph. 2006. V. 13. P. 247−253.
- Баландина Г. Н., Папко B.B., Сергеев Д. А., Троицкая Ю. И., Эволюция дальнего турбулентного следа за телом, буксируемым в стратифицированной жидкости при больших числах Рейнольдса и Фруда // Изв. РАН. ФА0.2004, Т. 40, № 1, С. 118−133.
- Сергеев Д.А., Баханов. В.В., Использование PTV метода для определения поля течений на поверхности жидкости: Препринт ИПФ РАН № 700. H. Новгород, 2006.
- В заключении сформулированы основные результаты работы:
- Предложены модификации стандартных PIV- и PTV- методов.
- Предложенная модификация PIV-метода, основанная на методе последовательного приближения при нахождении скорости течения, позволила увеличить скорость обработки изображений в 20 раз при сохранении точности на уровне обычного PIV-метода.
- В Большом термостратифицированном бассейне ИПФ РАН реализовано масштабное моделирование загрязнения системой сброса сточных вод прибрежной зоны, 177
- Dierksheide U., Meyer P., Hovestadt Т., Hentschel W., Endoscopic 2D-PIV flow field measurements in 1С engines // Proc. of 4th International Symposium on Particle Image Velocimetry. Gottingen, Germany. 2001. P. 1060.
- Kertzscher U" Debaene P., K. Affeld K., New method to visualize and to measure the wall shear rate in blood pumps// Proc. of 4th International Symposium on Particle Image Velocimetry. Gottingen, Germany. 2001. P. l 113.
- П.Дубнищев Б. Н., Ринкевичюс Б. С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. -М.: Наука, 1982.356 с.
- Дубнищев Ю. И., Арбузов В. А., Белоусов П. П. и др. Оптические методы исследования потоков. М.: Сибирское университетское издательство.2003.480 с.
- Dubnischev Yu.N., Fomin N.A., Rinkevichius B.S. Novel PIV-systems for flow measurement // Труды Конф. ОМИП 2003. Москва. МЭИ. С. 2−6.
- Chashechkin Y.D., Shlieren visualization of stratified flow around cylinder // J. of Visualiza. 1999. V. 1. P.345−354.
- Пономарев A.B., Гузеев А. С., Тюшкевич В. А., Методы визуализации обтекаемых тел в судостроительном эксперименте. М.: ЦНИИ «Румб». 1987.113 с.
- Крылов А. Н. Физика в морском деле. Сб. Трудов. Т. 1 Ч. 2.-М.-Л.:АН СССР. 1951.
- Papantoniou D. and List E.J., Large scale structure in the far field of buoyant jets // J. Fluid. Mech. 1989. V. 209. P. 151−190.
- ВанДайк .Альбом течений жидкости и газа М.: Мир. 1986.183 с.
- Fritz Н.М., PIV applied to landslide generated impulse waves // Proc. of 4th International Symposium on Particle Image Velocimetry. Gottingen, Germany. 2001. P. 1176.
- Lin J.-T., Pao Y.-H. Wakes in stratified fluids // Ann. Rev. Fluid Mech. 1979, V. 11. P. 317−338.
- D.L.Boyer, A. Srdic-Mitrovic Laboratory studies of continuously stratified flows past obstacles // Chapter 7 in the book: Environmental Stratified Flows (Ed. by R. Grimshaw). Kluwer Acad. Publ. 2001. P. 191−222.
- Sysoeva, E. Y. & Chashechkin, Y. D. Vortex systems in the stratified wake of a sphere // IzV. Akad. Nauk SSSR, Mekh. Zhidk. Gaza 1991. V. 4. P. 82−90.
- Chomaz J. M., Bonneton P. M, Hopfinger E. J. The structure of the near wake of a sphere moving horisontally in a stratified fluid // J. Fluid Mech. 1993. V. 254. P. 1−21.
- Lin Q., Lindberg W. R., BoyerD. L., Fernando H. J. S. Stratified flow past a sphere // J. Fluid Mech. 1992. V. 240. P. 315−354.
- Bonneton P. J., Chomaz J. M., Hopfinger E. J. Internal waves produced by the turbulent wake of a sphere moving horisontally in a stratified fluid // J. Fluid Mech. 1993. V. 254. P. 23−40.
- Lin Q., Boyer D. L., Fernando H. J, S. Internal waves generated by the turbulent wake of a sphere // Exp. Fluids 1993. V. 15. P. 147−154.
- Hopfinger E. J., Flor J. В., Chomaz J. M., Bonneton P. Internal waves generated by a moving sphere and its wake in a stratified fluid // Exp. Fluids 1991. V. 11. P. 255−261.
- Robey H.F. The generation of internal waves by a towed sphere and its wake in a thermocline // Phys. Fluids. 1997. V. 9, № 11. P. 3353−3367.
- Spedding G. R., Browand F. K., Fincham A. M. Turbulence, similarity scaling and vortex geometry in the wake of a towed sphere in a stably stratified fluid // J. Fluid Mech. 1996. V. 314. P. 53−103.
- Spedding, G. R. The evolution of initially-turbulent bluff-body wakes at high internal Froude number//J. Fluid Mech. 1997. V. 337. P. 283−301.
- Bonnier M., Eiff.Experimental investigation of the collapse of a turbulent wake in a stably stratified fluid // Phys. Fluids. 2002. V. 14, N2. P. 791−801.
- Riley, J.J., & Lelong, M.P. Fluid motions in the presence of strong stable stratification // Annu. Rev. Fluid Mech. 2000. V. 32. P. 613−657.
- Lilly, D. K. Stratified turbulence and the mesoscale variability of the atmosphere // J. Atmos. Sci. 1983. V. 40. P. 749−761.
- Embid, P. F., & Majda, A. J. Low froude number limiting dynamics for stably stratified flows with small or finite Rossby numbers // Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 1998. V. 87. P. 1−50.
- Fincham, A. M. & Spedding, G. R. Low-cost, high-resolution DPIV for turbulent flows // Exp. Fluids. 1997, V. 23. P. 449−462.
- Spedding, G. R. Anisotropy in turbulence profiles of stratified wakes // Phys. Fluids. 2001 V. 13, N8. P. 2361−2372.
- Spedding, G. R. Vertical structure in stratified wakes with high initial Froude number // J. Fluid Mech. 2002. V. 454. P. 71−112.
- A6.Gourlay, M.J., S.C.Arendt, D.C.Fritts, and J. Werne, Numerical modeling of initially turbulent wakes with net momentum // Phys. Fluids. 2001. V. 13, N8. P. 3783.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М., Гидродинамика М.: Наука, 1986, 733 с.
- Miles J.W. On the stability of heterogeneous shear flow // J. Fluid Mech. 1961.V.10. Pt.4. ?.496−509.Howard L.N. Note to a paper of John Miles // J. Fluid Mech. 1961. — V.10. Pt.4. P.509−514.
- Galeev A.A., Sagdeev R.Z. Nonlinear theory of plasma // Questions of theory of plasma. M.: Energoatomizdat. 1973. V.7. P. 3 -145.
- Реутов В.П., Троицкая Ю.И. About nonlinear effects of interaction between surface waves and turbulent wind // Izv. .Atmospheric and Oceanic physics 1995. V.31, № 5.1. P. 825−834.
- Troitskaya Yu.I. Viscous diffusion nonlinear critical layer in a stratified shear flow // Fluid Mech. 1991. V. 233. P. 25−48.
- Churilov, S.M., Shukhman, I.G. Nonlinear stability of a stratified shear flow: a viscous critical layer//J. Fluid Mech. 1987. V. 180. P. 1−20.
- Reutov V.P. Plasmo-hydrodynamics analogy and nonlinear study of wind wave’s instability. // Izv., Atmospheric and Oceanic physics 1980. V. 16. P.1266−1275.
- Andronov A.A., Fabricant A.L. Затухание Ландау, ветровые волны и свисток. // Nonlinear waves (red. A.V. Gaponov-Grehov). M.:Nauka, 1979. P.68−104.
- Reutov V. P., Rybushkina G. V. Mode switching and onset of turbulence in quasi-two-dimensional parallel flows // Proc. NWP 2005.P. 14.
- Дружинин O.A. Коллапс и автомодельность турбулентной струи в пикноклине // Изв. РАН Физика атмосферы и океана. 2003. Т. 37, № 5. С. 697−711.
- Троицкая Ю.И. Квазилинейная модель эволюции дальнего турбулентного следа за движущимся телом в стратифицированной жидкости при больших числах Рейнольдса и Фруда: Препринт ИПФ РАН № 610. Н. Новгород, 2002.
- Balandina G.N., Druzhinin O. A., Papko V. V., Sergeev D. A., Troitskaya Yu.I., Far turbulent wake after a towed body in stratified fluid. Geophysical Research Abstracts (GRA).2004.
- Balandina G. N, Sergeev D.A., Troitskaya Yu.I. Studyng of the turbulent wake behind the bodies of the different form in stratified fluid // Proc. Int. Conf. «Frontiers of nonlinear physics «2004. P. 253−254.
- Баренблатт Г. И Подобие, автомодельность и промежуточная асимптотика. JL: Гидрометеоиздат, 1982.255 с.
- Папко В. В, Сергеев Д. А., Бассейн с солевой стратификацией плотности воды.: Препринт ИПФ РАН №-667. Н.Новгород. 2004 г.
- Laboratory Modeling and Theoretical Studies of Wave Processes in the Ocean. Part 1: Experimental Design and Program/ Ed. by L.A. Ostrovsky. NOAA, ETL, Boulder CO, 1997. ¦
- Laboratory Modeling and Theoretical Studies 6f $ave Processes in the Ocean. Part 3: Second Stage Result/ Ed. by L.A. Ostrovsky. NOAA, ETL, Boulder CO, 1997.
- Laboratory Modeling and Theoretical Studies of Surface Wave modulation by a Moving Sphere/ Ed. by L.A. Ostrovsky. NOAA, ETL, Boulder CO, 2002.
- Laboratory studies of waves and currents generated by perturbations in a stratified medium/ Ed. by L.A. Ostrovsky. NOAA Tech. Report on 1st stage, ETL, Boulder, CO, 2004.
- Я Г. Бондур, Ю. В. Гребенюк. Дистанционная индикация антропогенных воздействий на морскую среду, вызванных заглубленными стоками: моделирование, эксперименты// Исследование Земли из Космоса. 2001.№ 6. С. 1−19.
- Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях. М.: Мир, 1977.431 с.
- Turner J. S. Jets and plumes with negative or reversing buoyancy.// J. Fluid. Mech. 1966 V. 26. P. 779−792.
- Абрамович Г. H. Теория турбулентных струй. М.: Наука-Физматлит, 1984.716с.
- Окенология. Физика океана. Т.1. Гидрофизика океана. Т.2. Гидрофизика океана / под редакцией В. М. Каменковича, А. С. Монина. М.: Наука, 1978. Т.1.-371 с., Т.2.-452 с.
- Озмидов. Р. В. Диффузия примесей в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.280 с.
- Журбас В. М. Траектории турбулентных струй примеси в устойчиво стратифицированной среде.// Водные ресурсы.1977. № 4. С. 165−172.
- Верболов В. И, Журбас В. М, Мамедов Р. М, Озмидов Р. В, Распространение затопленной струи примесей в прибрежной зоне. Течения на Байкале. Новосибирск: Наука. 1977. С. 143−149.
- Баханов В.В., Таланов В. И. Трансформация нелинейных поверхностных волн в поле неоднородных течений // Там же, т. 1, с. 81−106.
- BloomfieldL.J., Kerr R.C., Turbulent fountains in a stratified fluid // J. Fluid Mech. 1998, V. 358. P. 335−356.
- Koh С. V., Brooks H. N., Fluid Mechanics of waste-water disposal in the ocean. // Annu. Rev. Fluid. Mech. 1975. V. 7. P. 187−211.
- Gossard, E. E., and W. H. Hooke. Waves in the atmosphere. Elsevier, Amsterdam, 1975.
- Филипс O.M. Динамика верхнего слоя океана.М.: Мир, 1969.268 с.
- Ricou F. P., Spalding D. В. Measurements of entrainment by ax symmetrical turbulent jets. // J. Fluid Mech. 1961. V 11. P. 21−32.
- Brechovskikh L.M., Konjaev К. V., Sabinin K.D., Sericov A. N. Short-period internal waves in the sea // J. Geophys. Res. 1975. V. 80, № 6. 856−864.
- Левцов В.И., Чашечкин Ю. Д., Высокочуствительный контактный преобразователь удельной электропроводности жидкости // Сб. трудов. 1-ой Всесоюзной конференции метрология гидрофизических измерений. 1980. С. 46.
- Практикум по динамике океана / под ред. Е. Н. Пелиновского. JL: Гидрометеоиздат 1992 г.
- FlorJ.B., Heist V.GJ.F. An experimental study of dipolar vortex structure in a stratified flow// J. Fluid Mech. 1994. V. 279. P. 101−133.
- Thorpe S.A. On standing internal gravity waves of finite amplitude// J. Fluid Mech. 1968. V. 32. P.489−528.
- Лайтхш Дж. Волны в жидкостях. М.: Мир. 1981,598 с.
- Jirka G.H., Harleman D.R.F., Stability and mixing of vertical plane buoyant jet in confined depth. //J. Fluid Mech. 1979. V. 94. P. 275−304.
- Fan L.N. Turbulent buoyant jet problems / Calif. Inst. Technol. W.M. Keck Lab. Rep. № KH-R-I5.I96 p.
- Mowbray D.E. The use of shlieren and shadow graph techniques in the study of flow patterns in density stratified liquids // J. Fluid Mech. 1967, V. 27, part 3, P. 595.
- Roberts J.W.P., Modeling Mamala Bay outfall plumes // J. Hydraul. Eng. 1999, V. 125, № 6. P. 563−583.
- Roberts J. W.P., Snyder H. W., Hydraulic model study for Boston outfall. // J. Hydraul. Eng. 1993, V. 119, № 6. P. 970−1002.
- R.L. Doneker and G.H. Jirka, «Expert Systems for Hydrodynamic Mixing Zone Analysis of Conventional and Toxic Single Port Discharges (CORMIX1)», Technical Report EPA/600/3−90/012, U.S. EPA Environmental Research Laboratory, Athens, GA 1990.
- Jirka G.H., Akar P. J., Hydrodynamic Classification of submerged multiport diffuser discharge // J. Hydraul. Eng. 1991, V. 117, № 9. P. 1113−1128.
- Akar, P.J. and G. H Jirka, «Buoyant Spreading Processes in Pollutant Transport and Mixing. Part I: Lateral Spreading in Strong Ambient Current» // J. of Hydraulic Research 1994, V. 32. P. 815−831.
- V.I.Kazakov, V.A.Kostrov, D.P.Korotkov, B.V.Serin, D.A.Serggev, Yu.I.Troitskaya The far wake after a body towing in the thermocline: the laboratory experiment and a physical model // Annales Geophysicae Part Supplement, 2002.
- Sergeev D.A., Troitskaya Yu.I. The influence of weak stratification on the interaction between wave and shear flow in the nonlinear dissipate critical layer // Annales Geophysicae Part Supplement, 2002
- Sergeev D.A., Troitskaya Yu. I к quasi-linear model of the far turbulent wake after a moving body at the large Reynolds and Froude numbers // Annales Geophysicae Part Supplement, 2003.
- Баландина Г. Н.- Сергеев Д.А, Папко В. В., Троицкая, Ю. И. Исследование эволюции турбулентного следа за телами разной формы, буксируемыми в стратифицированной жидкости // Сборник трудов УШ сессии молодых ученых Нижегородской области 2004.С. 125−126.
- Сергеев Д. А. Лабораторное моделирование течения от коллектора сточных вод у о-ва Оаху // Сборник трудов X нижегородской сессии молодых ученых 2005. С. 77−78.