Способ определения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 10 4 А 90 01 Я 1 РЕТЕ ЕЛЬСТВУ лич аюцелью упроще- оперативзование форкольца,орого выбирают ации, о т ем, что, с и повышени ольное обр е вихревог диус Ро ко ия рости дисси щ и й с я ния способа ности, аэро мируют в ви начальный р из соотноше ВС 1 с Г СЬ 969,гд ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ И Н АВТОРСКОМУ СВИДЕ(56) 1. ЬСС 1 е С.С. АсоращеСЬойзГог СЬе гещоСе ргоЬ 1 пд о е ТочегаСщоерйеге Ргос. 3 ЕЕЕ, 1 ч. 57,РР. 571-578,2. Гаргер Е.К., Леманн А.О.О сравнении ветровых и турбулентныхпрофилей по измерениям с помощьювертикальных дымовых полос и высотной метеомачты. Труды ИЭМ, 1977,вып, 15 (60), с. 69-78 (прототип).,(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИДИССИПАЦИИ ТУРБУЛЕНТНОИ ЭНЕРГИИВ АТМОСФЕРЕ путем создания аэрозольного образования и регистрации егопараметров, по которым судят о скоЙо = 1;25 оЬ 2е . о(, - заданный коэФфициент роставихревого кольца;высота исследуемого слоя,измеряют фактическую высоту подъемавихревого кольца и время от его пуска до разрушения и по отношению степенных функций произведения начального радиуса вихревого кольца и фатической высоты подъема к времениот пуска вихревого кольца до егоразрушения находят среднее значениескорости диссипации турбулентнойэнергии в исследуемом слое атмосфеИзобретение относится к области измерения метеопараметров и может быть использовано в метеорологии при оперативном определении динамического состояния приземного слоя атмосферы.5Известен способ качественного определения инуенсивности турбулеит-. ности в атмосфере путем посылки акустического сигнала и последующего приема его отражения от зон повы шеиной турбулейтности С 1 Д.Ьднако использование способа невозможно в условиях, когда уровень шумовых помех преобладает над величиной отраженного сигнала, например 5 при измерениях в слабо турбулизонанной атмосфере, в густонаселенных пунктах, на аэродромах, кораблях и т.д. Недостатками способа являются также его низкая точность, необходимость для оценки интенсивности турбулентности привлечения в некоторых случаях информации о профилях температуры и влажности в атмосфере; влияние близко находящихся рассеинающих звук высоких объектОв дома, деревья, надстройки на корабле ), высокая стоимость аппаратуры.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ определения скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере путем создания аэроэольного образования в виде дымовой струи и последующего прослеживания, регистрации и анализа 35 проведения визуализиронанного таким образом объема и воздушном потоке 2.Скорость диссипации турбулентной энергии в атмосфере влияет на размытие дымовой струи и в первом ц) приближении определяется усредненной величиной роста видимого диаметра струи. Это обусловливает необходимость многократных измерений диаметра дымовой струи на нескольких уров нях и последующих вычислительных работ и, тем самым, затрудняет оперативность 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 на55 проявление и подготовку изображения дымовой струи. Способ характеризует. - ся низкой точностью из-за вЛияния на величину измеряемого видимого диаметра дымовой струи не только бО турбулентности, но и условий ее освещения, оптических характеристик дыма, чувствительности фотоматериала и т.д. СпоСоб не может использоваться 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 янляется упрощение способа и повышение оперативности при дистанционных измерениях скорости диссипации турбулентной энергии в исследуемом слое атмосферы.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения скорости диссипации турбулентной энергии н атмосфере путем создания аэрозольного образования и регистрации его параметров,по которым су дят о скорости диссипации, аэрозольное образование формируют в виде нихревого кольца, начальный радиус Й которого выбирают из соотноше- нйя ко = 1,25 о 2 игде- заданный коэффициент роста вихревого кольца;2- 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 высоты подъема к вре" мени 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 ат- . мосфере.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, дополнительными 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 Диссипации турбулентной энергии. Таким образом, уравнение,из которого по известным параметрамкольца можно определить усредненнуюпо,его трассе движения величинускорости диссипации турбулентнойэнергии в исследуемом слое атмосфе ры, будет иметь следующий. вид 2 ф 4 рог ) г)з(7)А г)зоый радиус ительная скорость го кольца;ть воздухауиент потерь энерторый может измеот 0 до 2,7,ичения радиуса 20 который в эасоздания,вихтся от 10 3го режима форчина опостоян вихрев у - плотноС 1 - коэффи гии, к няться ффициент уве расстоянием и от способа ольца изменя для конкретн я кольца велеС - коэ ольца с исимост евого к о 10( мированинав 5 время от момента пускакольца до.его разрушения;Е - расстояние, проходимоекольцом 307 ,Р - высота подъема вихревогокольца и его радиус наэтой высоте;Эо- площадь проекции лобовойповерхности фатмосферыфвихревого кольца на плоскость перпендикулярнуюнаправлению его движенияв начальный моментЗо 2 о )2 .Е(г)- скорость диссипации турбуФ лентной энергии на высоте ЕРо- максимальный характерныйразмер турбулентных вихрей, оказывающих влияние 45на энергетику вихревогокольца.Вихри значительно крупнее переносят кольцо как целое, не искажаяего структуру .и тем самым не вызывая дополнительных потерь энергии,А - коэффициент близкий 10.Первый член в левой части уравнения представляет собою изменениеэнергии вихревого кольца за счетвнутреннего трения.Второй член в уравнении равен суммарному по трассе движения кольцаколичеству турбулентной энергии,содержащейся в вихрях с масштабом,по порядку величины не превосходящим поперечный размер "атмосферыфвихревого кольца. Член в правой части уравнения выражает энергию турбулентного вихря, окончательно разрушающего кольцо. В силу малости 6этого члена в сравнении с членами в левой части уравнения им можно пренебречь.Уравнение (1 ) с учетом зависи- мости Р (4+С )о О Э о Р о . )оожн аппроксимировать выражением 7 л Е оА пи фПогрешность аппроксимационной формулы (3 ) практически во всех воз можных диапазонах изменения Е (10-ь"ф" и С,(0-3) меньше 100.Таким образом, способ позволяет определить усредненное по трассе движения кольца значение скорости диссипации турбулентной энергии. Для того,. чтобы измерить эту величину для. заданного исследуемого слоя необходимо, чтобы высота ма кольца была приближенно Рав щине этого слоя. Необходимые для выполнения этого условия начальные параметры кольца. можно найти из ура нений (1 ) и (2 ), которые решают относительно Е , приняв его равным толщине исследуемого слоя подъена тол 2 ф о) и(лир о=),2 Ы 7 и (5) П р. Допустим, необходиопределить среднюю ости диссипации турбуи и, следовательно, турбулентной энергии е, например в приземной е над аэродрозапускают вверх с радиусом, определя(5 ). Засекают время а.до его разрушения тическую высоту подъе мо оперативно величину скор лентной энерг саму величину в заданном сл ном слое толщ мом. Для этог дымовое кольц емым формулой от пуска кольц и измеряют фак Как видно из формулы, высота подъема вихревых колец формально зависит от нескольких параметров. Од нако благодаря тому, что в выраже-, нии в квадратной скобке переменнне имеют степень порядка 0,1", оно практически слабо изменяется и может быть принято приближенно равным 0,8. Таким. образом, начальный радиус вихревого кольца, который необходимо выбирать при заданной толщийе исследуемого слоя, определяется фор- мулой1041974 Составитель В.АгаповаТехред И,иетелева Корректор н,.гирняк Редактор Л. Веселовская Тираж 710 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретеций и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Заказ 7122/47 Филиал ППП "Патентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ма кольца. Затем по Формуле (3) определяют среднюю величину скоростидиссипации турбулентной энергии висследуемом слое атмосферы. Приэтом точность измерения средней величины скорости диссипации турбулентной энергии не ниже, чем у прототнпа,Основные преимущества предлагаемого способа заключаются в его простоте, обусловленной отсутствием 10специальной регистрирующей аппаратуры, такой как Фототеодолиты либовидеомагнитофоны, и оперативности,Экономия времени. достигается отсутствием необходимости подготовкииэображений дымовой струи например,проявление пленки ), проведения иэмерения ее толщины на несколькихуровнях и последующей вычислительнойработы 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 изатем падающих вниз, не может представлять опасности ни для людей,ни для строений,Предлагаемый способ может найтиприменение при исследовании процессов переноса примесей в атмосфере,при оперативном измерении и прогнозе динамического состояния атмосфеРы над аэродромами и т.д,