УСТАНОВКА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОЕМАХ
INSTALLATION FOR MODELING HYDRODYNAMIC AND CONVECTIVE PROCESSES IN RESERVOIRS

Изобретение относится к области физического моделирования гидродинамических, конвективных и аэродинамических процессов в природных и искусственных водоемах и может быть использовано для создания приближенной модели температурных распределений по глубине, характерных для морей, океанов и других водоемов, имеющих гидрологические изменения температуры. Земля как космический объект получает энергию в виде солнечного излучения. Из-за своей сферической формы интенсивность поступающего на ее поверхность излучения различается по географической широте, что приводит к возникновению температурной стратификации, характерной для Мирового океана и водоемов суши. Возникновение температурной стратификации вызывает множество явлений, включая гидродинамические и конвективные процессы, характерные для природных водоемов. Метод физического моделирования этих явлений в океане и атмосфере широко используется в геофизике и позволяет проводить их изучение в лабораторных условиях. Этот метод позволяет создавать контролируемые условия в течение всего эксперимента и в ряде случаев выделять в чистом виде различные механизмы, приводящие к возникновению изучаемых явлений.
Известно множество моделирующих установок и устройств, с помощью которых можно исследовать гидродинамические и конвективные процессы, описание которых можно найти в научной литературе, в частности, устройство для создания температурной стратификации жидкости [1], которое содержит бассейн с исследуемой жидкостью, охлаждающую и нагревающую системы. Основным недостатком устройства является, отсутствие наклонного дна. Это не позволяет проводить исследование формирования температурной стратификации в зависимости от глубины водоема. Чтобы моделировать эту зависимость были разработаны лабораторные установки, содержащие бассейн с наклонным дном. Известны также эксперименты в теплоизолированном лабораторном бассейне с фиксированным наклонным дном [2]. В этой установке первоначальный нагрев поверхности воды с температурой меньшей температуры ее наибольшей плотности вызывал вертикальную конвекцию по всему бассейну, которая вызывала плотностную и температурную стратификацию жидкости в бассейне, характерную для сезонной стратификации в природном водоеме. Недостатками данной установки является отсутствие изменяемого угла наклона дна, а также отсутствие возможности имитации ветрового воздействия и рельефа дна. Следствием этого является невозможность изучения воздействия ветра, наклона и структуры рельефа дна на формирование температурной стратификации по глубине лабораторного бассейна. Кроме того, существенным недостатком установки является отсутствие прозрачной теплоизоляции стенок, что не дает возможности проводить визуальное наблюдение процесса формирования температурной стратификации по глубине бассейна.
Наиболее близкой, принятой за прототип, является «Лабораторная модель весеннего термического бара» [3].
Устройство работает следующим образом. Теплоизолированный бассейн заполняют жидкостью, например, пресной водой, имеющей постоянную температуру до 3-4°С. Поверхность воды нагревается электролампами. За счет наклонного дна с изменяемым углом наклона вода в мелководной части бассейна нагревается быстрее и достигает температуры максимальной плотности. Постепенно формируется плотностная и конвективная температурная стратификация по всей области бассейна. В результате через некоторое время формируется слой скачка, т.е. в бассейне устанавливается температурная стратификация, характерная для природных водоемов. В лабораторных экспериментах прослеживались изменения температурной стратификации воды по сечению клинообразной области бассейна при фиксированном угле наклона дна и при различных значениях потока тепла, проникающего в воду через свободную поверхность. Данная установка имеет характерные недостатки, отмеченные для [2]. Кроме того, существенным недостатком является отсутствие прозрачных теплоизолированных стенок бассейна, что не дает возможности проводить наблюдение за формированием плотностной и конвективной циркуляции по глубине на основе использования окрашивающих жидкость маркеров.
Таким образом, общим недостатком данной конструкции и всех известных моделирующих установок и устройств является узкий диапазон решаемых задач, получаемых при проведении экспериментов. Это связано с исключением важных факторов, оказывающих воздействие на гидродинамические и конвективные процессы в природных водоемах, в том числе, таких как ветровое воздействие на поверхность и рельеф на дне водоема.
Задачей изобретения является расширение диапазона решаемых задач, получаемых при проведении экспериментов и увеличение производительности лабораторных геофизических исследований. Техническим результатом является широкий диапазон решаемых задач, получаемых при проведении экспериментов.
Технический результат достигается тем, что в установку для моделирования гидродинамических и конвективных процессов в водоемах, содержащую заполненный жидкостью бассейн с изменяемым углом наклона дна, электролампы для нагрева жидкости в бассейне, вводится ветрогенератор, выполненный в виде системы вентиляторов с термоэлектрическим модулем, закрепленных на поворотной раме, позволяющей менять направление ветрового потока каждого вентилятора и препятствия, имитирующие рельеф дна бассейна, а его передняя стенка выполнена прозрачной и снабжена теплоизолирующим слоем.
Схема установки для моделирования гидродинамических и конвективных процессов в водоемах показана на фиг. 1. Она представляет собой прямоугольный бассейн из стекла 1. Дно бассейна в продольном направлении имеет наклон, угол а которого можно изменять в заданных пределах и содержит на своей поверхности препятствия, выполненные в виде прямоугольных планок для имитации рельефа 3. Заливаемая в бассейн вода, при фиксированном наклоне дна, образовывала клин. По длине бассейна расположена прикрепленная к нему подвижная рамка 4. Поток тепла на водную поверхность создается электрическими лампами 2, имитируя лучистый нагрев от Солнца. Температура воды измеряется с помощью четырех подвижных вертикальных зондов 5 с закрепленными на них полупроводниковыми датчиками температуры 6 и регистрируется платой аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. Плата АЦП соединяется с персональным компьютером, в котором накапливаются временные ряды массивов значений температуры в различных точках водной среды. Отдельный датчик 8 устанавливается над поверхностью воды для регистрации температуры потока воздуха над поверхностью воды. Для создания ветровой циркуляции в лабораторном бассейне используются электрические вентиляторы с термоэлектрическим модулем, объединенные в единый ветрогенератор 9. Схема ветрогенератора представлена на фиг. 2. Вентиляторы 10, содержащие термоэлектрический модуль 11 закрепляются на поворотной раме 12, позволяющей изменять их взаимное расположение и углы наклона осей вращения по вертикальной оси 13 и по горизонтальной оси 14 и тем самым менять направление ветрового потока каждого вентилятора. Принцип работы ветрогенератора следующий - холодный воздух поступает в термоэлектрический модуль 11. Затем, воздушный винт способствует отдуву прогретого, либо охлажденного воздуха и его распространению вдоль поверхности воды лабораторного бассейна. Ветрогенератор устанавливался на опорном штативе, в заданном положении над лабораторным бассейном. Данные о скорости потока воздуха, создаваемого вентиляторами, регистрируются платой аналого-цифрового преобразователя 7. Схема лабораторного бассейна (вид сверху) показана на фиг. 3. Для предотвращения теплоотдачи дно и стенки бассейна изолируются пенопластом 15, а передняя стенка остается прозрачной за счет применения двухслойного атермального стекла 16. Система установки препятствий, имитирующих рельеф дна, позволяет изменять их конфигурацию, благодаря подвижной каретке 17 расположенной вдоль наклонного дна. Основное количество теплоты от ламп накаливания в лабораторном бассейне поглощается верхним сантиметровым слоем воды, что позволяет имитировать солнечный нагрев поверхности воды природного водоема. При соответствующих пропорциях по вертикали лабораторного и реального водоема в модели создается имитация поглощения солнечного тепла в верхних нескольких метрах природного водоема. За счет изменения высоты подвеса электроламп от поверхности воды и температуры воздуха ветрогенератора можно регулировать поглощаемое верхними слоями жидкости количество тепла для создания заданных условий температурной стратификации.
Установка работает следующим образом. При подготовке эксперимента в зависимости от поставленной задачи для имитации сезонной стратификации в водоемах перед началом каждого опыта бассейн наполняется водопроводной водой предварительно охлажденной до температуры заданной величины. Для выравнивания температурных неоднородностей вода в бассейне перемешивается. Измерения проводятся на продольном разрезе, проходящем посередине бассейна. Поток воздуха заданной температуры, имитирующий действие ветра, создаваемый ветрогенератором, может быть направлен под заданным углом к водной поверхности. Таким образом, ветровое воздействие ориентируется в двухкоординатных направлениях вдоль свободной поверхности воды в водоеме. Это позволяет выявлять изменяющуюся со временем циркуляционную структуру термически стратифицированных течений при различных скоростях ветра. По выявленной структуре течений в ходе проведения эксперимента можно изучать гидродинамические и конвективные процессы и получать необходимые данные. Например, при имитации сезонного распределения температуры в замерзающих пресных водоемах при прохождении изотермы 4°С, примерно соответствующей температуре наибольшей плотности пресной воды, и под действием ветра различных румбов можно моделировать пространственное положение области выноса на поверхность биологически активных веществ и придонных загрязнений. Можно также исследовать зависимость адвекции тепла между теплой и холодной областями водоема от направления, температуры и интенсивности ветра. По получаемой в режиме реального времени стационарной картине профилей распределения температуры и скорости ветра в ходе проведения эксперимента можно решать многочисленные задачи исследования гидродинамических, конвективных и аэродинамических явлений, моделирующих геофизические процессы в гидросфере и атмосфере.
Была создана установка для моделирования гидродинамических и конвективных процессов в водоемах. Проведенные на ней эксперименты показали, что с ее помощью существенно повышаются возможности изучения геофизических процессов в гидросфере и атмосфере в результате расширения области получаемых данных при проведении экспериментов. Проделанные лабораторные эксперименты показали применимость созданной установки для воспроизведения характерных особенностей термической структуры водоема при переходе температуры воды через температуру максимальной плотности с учетом ветрового воздействия и имитации рельефа дна. Использование установки дает возможность варьировать в ходе эксперимента начальные и граничные условия, что значительно увеличивает производительность лабораторных геофизических исследований и расширяет диапазон решаемых задач.
Источники информации, использованные при составлении заявки: Патенты:
1. Патент СССР: SU 1361609 А1 кл. G09B 23/12, 1987
Статьи:
2. Крейман К.Д. Термический бар по результатам лабораторных опытов, ж. Океанология, т. 29, №6, 1989.
3. Соловьев Д.А., Блохина Н.С., Орданович А.Е. Лабораторная модель весеннего термического бара // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2007. №5. Стр. 65.