СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ТЕЧЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2010 года по МПК G09B23/12 

Предлагаемое изобретение относится к области геофизической гидродинамики. В частности к способу лабораторного моделирования крупномасштабных динамических процессов в атмосфере.

Изобретение может быть использовано для изучения генерации крупномасштабных вихревых возмущений за счет сдвиговой неустойчивости струйных зональных течений.

Известны аналогичные устройства, где сдвиговые течения создаются на горизонтальном кольцевом [1] и вертикальном замкнутом [2] каналах.

Известно устройство, более близкое к предложенному по своему устройству [3] (прототип). Схема устройства представлена на фиг.1. Течение создается внутри вертикального замкнутого канала 1, ограниченного сверху и снизу медными электродами 2. Во внутреннюю стенку канала вмонтированы магнитные полоски чередующейся полярности, которые создают внутри канала пространственно-периодическое магнитное поле. Вертикальная к поверхности стенки составляющая индукции В имеет близкий к синусоидальному профиль вдоль образующей канала. Канал заполняется электролитом (раствор CuSO₄). Когда между электродами пропускается электрический ток плотности j, на частицы единичной массы действует магнитогидродинамическая сила

Вертикальный профиль 3 действующей на жидкость внешней силы, пропорциональной силе Ампера, близок к синусоидальному. При малых значениях j профиль течения определяется профилем F - в канале устанавливается первичное течение, представляющее собой систему ламинарных струй чередующейся направленности. При увеличении j и переходе через критическое значение первичный ламинарный режим теряет устойчивость и вместо него формируется вторичный квазистационарный вихревой режим. При дальнейшем увеличении j вихревой режим также теряет устойчивость и в течении возбуждаются автоколебания. Изучение подобных переходных процессов в простых лабораторных течениях оказывается полезным при изучении баротропной неустойчивости зональных струйных течений как одного из возможных механизмов циклогенеза и установления периодических процессов большой длительности в атмосфере.

Однако данное устройство имеет два принципиальных недостатка - не учитывается сферичность атмосферного слоя и отсутствует вращение. В данной модели отсутствует сила Кориолиса, играющая определяющую роль в динамике атмосферы.

Целью данного изобретения является моделирование крупномасштабных динамических процессов в баротропной несжимаемой атмосфере.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе исследуемые течения создаются в установке со сферическим каналом, которая укреплена на вращающейся платформе.

Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему чертежей: на фиг.2 приведена функциональная схема устройства; на фиг.3 приведена отдельная схема установки со сферическим каналом, которая на фиг.2 показана прикрепленной к вращающейся платформе. На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:

фиг.2

1 - установка со сферическим каналом, 2 - вращающаяся платформа, 3 - система крепления установки, 4 - пульт управления, 5 - корпус вращающейся платформы, 6 - скользящие контакты, 7 - телекамера и телевизор.

фиг.3

8 - внутренний шар, 9 - сферический канал, 10 - вмонтированные во внутреннюю стенку канала медные электроды, 11 - магнитные полоски, 12 - отверстие для поступления в канал электролита, 13 - винты для крепления внещней оболочки, 14 - внешняя сферическая оболочка, состоящая из двух частей, 15 - крепежный стержень.

Предложенный способ может быть осуществлен показанным на фиг.2 устройством, содержащим установку со сферическим каналом 1, укрепленной на вращающейся платформе 2 системой крепежа 3. Пульт управления 4 расположен на корпусе 5 платформы. Через скользящие контакты 6 осуществляется питание установки и связь телекамеры с телевизором 7. Как и в [1-3] течение создается с помощью магнитогидродинамической силы F. Магнитные полосы могут быть расположены на разных углах θ_i, что позволяет изменять профиль индукции магнитного поля В={B_r, В_φ, В_θ}. Кроме этого, плотность тока через электролит, представимый вне окрестности электродов как j={0,0, j_θ}, регулируется с помощью расположенных между магнитными полосками дополнительных электродов. Таким образом, на данной установке можно регулировать профиль внешней силы F. Параметры течения контролируются из пульта управления 4. Укрепленная на платформе телекамера 7 позволяет через телевизор 7 следить за течением визуально. Схема установки со сферическим каналом показана более крупным планом на фиг.3. Концентрические сферические поверхности внутреннего шара 8 и внешней оболочки 14 ограничивают рабочий канал 9 и скреплены с помощью стержня 15. На поверхности шара вмонтированы электроды 10 и магнитные полоски 11. Через отверстие 12 канал заполняется электролитом (раствором CuSO₄). Если через электролит пропустить ток плотности j(θ), на частицы жидкости будет действовать сила F.

Устройство будет работать следующим образом. Включается платформа и подбирается требуемое значение Ω. Затем включается питание сферической установки и под действием силы F частицы жидкости придут в движение. Из-за наличия вращения на них одновременно начнет действовать и сила Кориолиса F_K~-[Ω, ν], где ν - скорость рассматриваемого элемента жидкости в связанной с вращающейся установкой системе координат. Так как канал имеет сферическую форму и рассматриваемое течение квазидвумерно, величина F_K меняется с широтой пропорционально радиальной составляющей Ω. Как и в реальной атмосфере, F_K принимает максимальные значения на полюсах и убывает до нуля к экватору. Другими словами, имеет место β-эффект, играющий определяющую роль в динамике общей циркуляции атмосферы и крупномасштабных движений в океане.

По данному техническому предложению в мастерской ИФА РАН было изготовлено устройство в количестве одного экземпляра.

Литература

1. Довженко В.А., Новиков Ю.В., Обухов A.M. "Моделирование процесса генерации вихрей в аксиально-симметричном азимутальном поле магнитогидродинамическим методом." / Изв. АН СССР. ФАО. 1979. Т.15. №11. С.1199-1202.

2. Батчаев А.М., Довженко В.А. "Лабораторное моделирование потери устойчивости периодических зональных течений." / Докл. АН СССР. 1983, Т.273. №3. С.582-584.

3. Батчаев А.М. "Экспериментальное исследование закритических режимов течения Колмогорова на цилиндрической поверхности. " /Изв. АН СССР. ФАО. 1988. Т.24. №8. С.844-851.

Изобретение относится к области геофизической гидродинамики и может быть использовано при моделировании крупномасштабных атмосферных течений. Согласно изобретению в способе моделирования крупномасштабных атмосферных течений создают течения в канале сферической формы, вращающемся относительно оси симметрии канала. Способ реализуется устройством, содержащим сферический канал, установленный на вращающейся платформе. Канал заполнен электролитом. Во внутреннюю стенку канала вмонтированы системы медных электродов и магнитных полос, расположенных по определенным углам для создания требуемого профиля индукции магнитного поля. С помощью медных электродов через электролит пропускают электрический ток, регулируя желаемым образом плотность тока через электролит. Взаимодействие тока и магнитного поля вызывает силу, под действием которой электролит приходит в движение. Наличие вращения канала приведет к тому, что на движущийся электролит будет действовать сила Кориолиса, соответствующая силе, действующей в реальной атмосфере. Благодаря подбору значений угловой скорости вращения канала, индукции магнитного поля и плотности тока в электролите изобретение позволяет установить отвечающие реальной атмосфере значения основных безразмерных параметров течения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ моделирования крупномасштабных атмосферных течений путем возбуждения исследуемых течений, отличающийся тем, что, с целью моделирования крупномасштабных динамических процессов в баротропной несжимаемой атмосфере, создаются течения внутри канала сферической формы, вращающегося относительно оси, проходящей через ось симметрии канала.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее рабочий канал, систему аксиально-симметричных постоянных магнитов и систему медных электродов, вмонтированных во внутреннюю поверхность канала, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вращающейся платформой и рабочий канал имеет сферическую форму, причем канал соосно укреплен на вращающейся платформе.