Способ определения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере Советский патент 1983 года по МПК G01W1/00 

4.

со ч

4: Изобретение относится к области измерения метеопараметров и может быть использовано в метеорологии при оперативном определении динамического состояния приземного слоя атмосферы. Известен способ качественного определения интенсивности турбулей т ности в атмосфере путем посылки акустического сигналя и последующего приема его отражения от зон повы шейной турбулентности 1 . Ъднако использование способа невозможно в условиях, когда уровень шумовых помех преобладает над величиной отраженного сигнала, например при измерениях в слабо турбулизованной атмосфере, в густонаселенных пунктах, на аэродромах, кораблях и т.д. Недостатками способа яв.ляются также его низкая точность, необходимость для оценки интенсивности турбулентности привлечения в некото рых случаях информации о профилях температуры и влажности в. атмосфере влияние близко находящихся рассеива ющих звук высоких объектов Сдома, деревья, надстройки на корабле), вы сокая стоимость аппаратуры. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения скорости диссипации тур булентной энергии в атмосфере путем создания аэрозольного образования . в виде дымовой струи и последующего прослеживания, регистрации и анализ проведения визуализированного таким образом объема в воздушном потоке 2 Скорость диссипации турбулентной энергии в атмосфере влияет на размытие дымовой струи и в первом приближении определяется усредненной величиной роста видимого диаметра струи. Это обусловливает необходимость многократных измерений диаметра дымовой струи на нескольких уровнях и последующих вычислительных работ и, тем caNWM, затрудняет опера тивность способа. Кроме того, способ требует применения специальной регистрирующей аппаратуры - видеомагнитофонов либо фототеодолитов. Эти приборы имеют высокую стоимость в то же время их разрешающая способность недостаточна, а использование фототеодолитов обусловливает дополнительные затраты времени на проявление и пЬдготовку изображения дымовой струи. Способ характеризует ся низкой точностью из-за влияния на величину измеряемого видимого диаметра дымовой струи не только турбулентности, но и условий ее освещения, оптических характеристик дыма, чувствительности фотоматериала и т.д. -Способ не может исполь-. зоваться в населенных пунктах вслед ствие опасности для людей и строе-ний способа создания дымовых струй с помощью пиротехнических дымовых шашек, забрасываемых в атмосферу. Целью изобретения является упрощение способа и повышение оперативности при дистанционных измерениях скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы. Поставленная цель достигается тем, согласно способу, определеНИН скорости диссипации турбулен гной энергии в атмосфере путем создания aaposofibHoro образования и регистрации его параметров, по которым су. дят о скорости диссипации, аэрозольное образование формируют в виде вихревого кольца, начальный радиус R0 которого выбирают из соотношения 1 f25cL2 , где dfx - заданный коэффициент роста вихревого кольца; высота исследуемого слоя, измеряют фактическую высоту подъема вихревого кольца и. время от его пуска до разрушения и по отношению степенных функций произведения начального радиуса вихревого кольца и фактической высот л подъема к времени от пуска вихревого кольца до его разрушения находят среднее значение скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы, Способ основан на экспериментально обнаруженной связи между временем жизни вихревого кольца и энергией турбулентных пульсаций а атмосфере . Качественные закономерности, описывающие эту связь, установлены следующим образом. Уменьшение энергии вихревого кольца по мере его движения в реальной атмосфере определяется кроме потерь, обусловленных внутренним трением, дополнительньоми потерями, возникающими из-за воздействия на кольцо атмосферной турбулентности. Когда энергия вихревого кольца понизится до уровня энергии турбулентных вихрей с размерами- порядка радиуса кольца, то кольцо разрушится. Величину дополнительных потерь энергии вихревым кольцом можно по порядку величины принять равной потоку турбулентной энергии через его лобовую поверхность при движении кольца в атмосфере. Известно, что величина турбулентной энергии атмосферных вихрей с размером от долей сантиметра до десятков метров определяется их размером и однозначно связана со скоростью йиссипации турбулентной энергии. Таким образом, уравнение. из которого по известным параметрам кольца можно определить усредненнуго по,его трассе движения величину скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферь1, будет иметь следующий, вид ,)(ЛР„рх t..,wjSJ j ) о62 ре2/3((АКф)2« (Я Lf(, - начальный радиус и где К, поступательная скорос вихревого кольца; р- плотность воздуха; коэффициент потерь эн гии, который может из няться от О до 2,7; вС - коэффициент увеличения радиус кольца с расстоянием, который в зависимости от способа создания .вихревого кольца изменяется от 103 до Ю (для конкретного режима формирования кольца величина dпостоян на время от момента пуска кольца до его разрушения 2 - расстояние, проходимое КОЛЬЦОМ; 2ф ,Кф- высота подъема вихревого кольца и его радиус н этой высоте; площадь проекции лобовой поверхности атмосферы вихревого кольца на плос кость перпендикулярную направлению его движения в начальный момент 5о«27Гр2 ; 6(2)- скорость диссипации турб лентной энергии на высоте Z ; . AR(j- максимальный характерный размер турбулентных вих рей, оказывающих влияние на энергетику вихревого кольца. . Вихри значительно крупнее перено сят кольцо как целое, не искажая его структуру .и тем самым не вызывая дополнительных потерь энергии} А - коэффициент близкий 10. . Первый член в левой части уравнения представляет собою изменение энергии вихревогр кольца за счет внутреннего трения. Второй член в уравнении равен су марному по трассе движения кольца количеству турбулентНой энергии, содержащейся в вихрях с масштабом, по порядку величины не превосходящим поперечный размер атмосферы вихревого кольца. Член в правой час ти уравнения выражает энергию турбулентного вихря, окончательно разрушающего кольцо. В силу малости этого члена в сравнении с членами в левой части уравнения им можно пренебречь. Уравнение (l/ с учетом зависимости .j{Le sii:iJ « U о J можно аппроксимировать выражением Погрешность аппроксимационной формулы (3 I практически во всех возможных диапазонах изменения g (Ю- -Ю- и Ср(О-З) меньше 100%. Таким образом, способ позволяет пределить усредненное по трассе вижения кольца значение скорости иссипации турбулентной энергии. ля того,, чтобы измерить эту велиину для. З51данного исследуемого лоя необходимо, чтобы высота подъеа кольца была .1приближенно равна толине этого слоя. Необходимые для ыполнения этого условия начальные араметры кольца, можно найти из уравений (1 ) и (2 I, которые решают тносительно приняв его равным олщине исследуемого слоя г (n,iul)Как видно из формулы, высота подъема вихревых колец формально зависит от нескольких параметров. Однакр благодаря тому, что в выраже-„ НИИ в квадратной скобке переменные имеют степень порядка 0,1 оно практически слабо изменяется и может быть принято приближенно равным 0,8. Таким, образом, начальный радиус вихревого кольца, который необ.ходнмо выбирать при заданной толщийе исследуемого слоя,определяется формулой .25ot2 . (5) Пример. Допустим, необходимо оперативно определить среднюю величину скорости диссипации турбуЛ1ЕНтной энергии и, следовательно, саму величину турбулентной энергии в заданном слое, например в приземном слое толщиной 2 над аэродромом. Для этого запускают вверх дымовое кольцо с радиусом, определяемым формулой (51. Засекают время от пуска кольца до его разрушения и измеряют фактическую высоту подъе-ма кольца. Затем по формуле (З) определяют среднюю величину скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы. При точность измерения средней величины скорости диссипации турбулентной энергии не ниже, чем у прототипа..

Основные преимущества предлагаемого способа заключаются в его простоте, обусловленной отсутствием специальной регистрирующей аппаратуры, такой как фототеодолиты либо видеомагнитофоны, и оперативности. Экономия времени достигается отсутствием необходимости подготовки изображений дымовой струи {например, проявление пленки ), проведения .измерения ее толщины на нескольких уровнях и последующей вычислительной работы по определению скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое. Кроме того, способ отличается более высокой безопасностью, так как воздушное вихревое кольцо, в отличие от пиротехнических шашек, забрасываемых на нужную высоту и затем падающих вниз, не,может представлять опасности ни для людей, ни для строений.

Предлагаемый способ может найти применение при исследовании процессов переноса примесей в атмосфере,

при оперативном измерении и прогнозе динамического состояния атмосферы над аэродромами и т.д.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДИССИПАЦИИ ТУРБУЛЕНТНОЙ ЭНЕРГИИ В АТМОСФЕРЕ путем создания аэрозольного образования и регистрации его параметров, по которым судят о скорости диссипации, отличаю-- ; щ и и с я тем, что, с целью упрощения способа и повышения оперативности, аэрозольное образование формируют в виде вихревого кольца, начальный радиус R которого выбирают чэ соотношения Ro 1,25dL2, где сИ - заданный коэффициент роста вихревого кольца; 2-j - высота исследуемого слоя, измеряют фактическую высоту подъема вихревого кольца и время от его пуска до разрушения и по отношению степенных функций произведения начального радиуса вихревого кольца и фак тической высоты подъема к времени (Л от пуска вихревого кольца до его разрушения находят среднее значение скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы.