СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ
METHOD OF DETERMINING COHERENT TURBULENT ATMOSPHERE SURFACE STRUCTURES

Изобретение относится к области физики атмосферы и атмосферного электричества и может быть использовано для обнаружения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы и определения их пространственно-временных масштабов при аэрофизических, геофизических, электрохимических, метеорологических, биологических и других исследованиях, а также для диагностики конвективных потоков в атмосферном пограничном слое с целью мониторинга развития грозовой и молниевой активности.
Известен способ дистанционной диагностики турбулентных течений, заключающийся в том, что в турбулентную среду вводят контрастные вещества и визуально с использованием высокоразрешающих камер следят за их переносом, далее по траекториям перемещения примесей восстанавливают параметры крупномасштабных структур турбулентных потоков (Ван Дайк. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир. 1986. 183 с.).
Недостатком способа является низкая точность измерения, необходимость однородного распределения контрастных примесей на масштабах турбулентного потока.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является бесконтактный способ измерения скорости, основанный на цифровой трассерной визуализации турбулентного потока. Измерение мгновенного поля скорости потока в заданном сечении основано на измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. В поток жидкости или газа добавляются частицы малого размера (трассеры). Размер, плотность и объемная концентрация частиц подбираются таким образом, чтобы эффекты, связанные с двухфазностью потока и плавучестью частиц, были минимальны. При этом измерительной областью потока считается ограниченная плоскость, «освещаемая» световым лазерным ножом (патент на полезную модель №110494, 2009).
Недостатком известного способа является низкая точность измерения параметров крупномасштабных натурных когерентных турбулентных структур, необходимость использования специальных высокочастотных импульсных лазеров и скоростных CCDPIV-камер.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и надежности определения когерентных турбулентных структур атмосферного пограничного слоя (АПС) за счет использования в качестве трассеров естественных, природных аэроионов, образующихся в АПС под воздействием галактических космических лучей и радиоактивных эманаций земной поверхности, и синхронной регистрации аэроэлектрических пульсаций атмосферного электрического поля.
Технический результат достигается в способе определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы, включающем синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте, измерение горизонтальной скорости воздушного потока с последующим определением ее среднего значения за время измерения, построение усредненной структурной функции аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривой ее аппроксимации, выявление когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений структурной функции, измерение временного интервала регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы, определение высоты когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции, определение ширины когерентных турбулентных структур приземной атмосферы как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций.
Синхронная регистрация сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте дает возможность оперативно вычислять структурную функцию турбулентного процесса, что позволяет проводить непрерывный мониторинг турбулентной активности АПС. Заданное временное разрешение необходимо для повышения точности вычисления структурной функции и нахождения средней величины, т.к. позволяет получить нужное количество единичных синхронных измерений в единицу времени. Синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций необходимо выполнять на фиксированной высоте вблизи плоской земной поверхности, т.к. величина сигнала аэроэлектрических пульсаций зависит от высоты над проводящей подстилающей поверхностью.
0
0
E
0
Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема установки для определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы, на фиг. 2 - структурная функция D(r) пространственных флуктуаций параметров турбулентной атмосферы, l - внутренний масштаб турбулентности, L - внешний масштаб турбулентности, на фиг. 3 - экспериментальная структурная функция D(r) и вертикальный размер L=42 м когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы.
Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы осуществляется следующим образом.
Над земной поверхностью на фиксированной высоте синхронно в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением регистрируют аэроэлектрические турбулентные пульсации напряженности атмосферного электрического поля. Измеряют горизонтальную скорость воздушного потока с последующим определением ее среднего значения u за время измерения. Вычисляют структурные функции аэроэлектрических пульсаций согласно алгоритму:
E
где: D(r) - структурная функция аэроэлектрических пульсаций,
r - расстояние между датчиками вдоль линии точек измерения напряженности атмосферного электрического поля,
z
E - амплитуда сигнала аэроэлектрических пульсаций.
h
I
I
Проводят по полученному ансамблю структурных функций построение усредненной структурной функции аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривой ее аппроксимации. Выявляют когерентные турбулентные структуры приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений усредненной структурной функции. Затем проводят измерение временного интервала регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы. Определяют высоту L обнаруженной когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции, а также ширину L обнаруженной когерентной структуры, согласно измеренной средней горизонтальной скорости потока u и времени τ наличия сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы, как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций L = u*τ.
Конкретный пример реализации способа определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы.
<mrow><msub><mi>D</mi><mi>E</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo><</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>></mo></mrow>
h
I
h
Над земной поверхностью на высоте h=1 м устанавливается линейка из пяти датчиков аэроэлектрического поля - прецизионных электростатических флюксметров, предназначенных для регистрации аэроэлектрических турбулентных пульсаций напряженности атмосферного электрического поля в частотном диапазоне (0-5) Гц. Расстояние L между датчиками равно 20 м. Измеряется горизонтальная скорость воздушного потока u в месте установки датчиков с последующим определением ее среднего значения за время измерения. Цифровая регистрация сигналов осуществляется синхронно с каждого из датчиков с заданным (10 отсчетов в секунду) временным разрешением. Из полученных в результате регистрации амплитудно-временных рядов напряженности аэроэлектрического поля оперативно вычисляется усредненная структурная функция аэроэлектрических турбулентных пульсаций
и ее аппроксимация. Выявляются когерентные турбулентные структуры приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений усредненной структурной функции. Проводятся измерения временного интервала τ регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы. Определяется высота L обнаруженной когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции. Вычисляется ширина когерентной турбулентной структуры как произведение среднего по времени значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций. При измеренных скорости воздушного потока u=2 м/с и временном интервале структурированных аэроэлектрических турбулентных пульсаций τ=300 с ширина когерентной турбулентной структуры составляет L=600 м при высоте L=42 м.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность и надежность определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы.