Строительные исследования
страница - 0
Взаимодействие гравитационно-капиллярных структур в
поверхностном слое океана.
Лапшин В.Б. (1), Сидоренко А.В. (artur@faki-campus.mipt.ru) (2)
(1)Государственный Океанографический Институт,
(2)Московский Физико-Технический Институт.
Глобальные изменения климата, наблюдаемые в настоящее время, являются причиной активизации исследований межфазной зоны океана и атмосферы, в которой формируются основные потоки тепла, влаги, соли и парникового газа. Градиенты температуры, солености и атмосферных газов, наблюдаемые в нем, превосходят градиенты этих величин в нижележащих слоях на несколько порядков. Поэтому особое значение приобретает исследование термогидродинамических и реологических особенностей поверхностного слоя океана в формировании глобального климата планеты.
Основными механизмом, кардинально влияющим на перенос тепла в поверхностном микрослое является конвекция. Возникновение конвекционного механизма значительно ускоряет процесс переноса, по сравнению с механизмами молекулярной диффузии. В настоящее время известны два конкурирующих механизма свободной конвекции. Во-первых, это гравитационная конвекция Релея, возникающая спонтанно в поле силы тяжести под действием сил плавучести при неустойчивой термохолинной стратификации. Во-вторых, это капиллярная конвекция Марангони, возникающая вследствие зависимости поверхностного давления от температуры, солености и растворенного в объеме воды поверхностно-активного вещества (ПАВ). Важную роль в развитии конвекции Марангони может играть аномальная изменчивость поверхностного натяжения в определенном диапазоне температур [1].
Развитие случайных начальных возмущений, их взаимодействия и эволюция гравитационно-капиллярной конвекции рассматривается в данной статье. Также исследуются процессы подавления конвекции при наличии поверхностных веществ.
Для исследования этих эффектов была проведена серия численных экспериментов, моделирующих конвекционные процессы в поверхностном микрослое океана. Используемая для численных расчетов модель описана в работах [2,3]. Двухмерность модели определяет тот факт, что единственным устойчивым видом конвекции является валиковая конвекция. Объемная часть модели рассчитывает тепло-массо перенос и нелинейные взаимодействия в верхнем слое океана в приближении Буссинеска, с учетом соленостной и температурной конвекции Релея. В качестве граничного условия сверху
объемная часть сопрягается с уравнениями двумерной жидкости [6,7], учитывающими адсорбцию и эффекты Марангони. На нижней границе для скорости задается условие первого рода, а для температуры, солености и др. допускается условие третьего рода. В качестве боковых граничных условий предполагается периодичность всех параметров. Обезразмеривание произведено по соленостному диффузионному масштабу времени. Результатом моделирования является развитие конвективного возмущения с поверхности вглубь жидкости и влияние пленки ПАВ на конвекцию.
Расчетная область имеет размер 3х1 см, что согласуется с наблюдаемым размером конвективных ячеек. Физические параметры среды соответствуют T~250 и S~35%o, что представляет собой характерные условия для тропической зоны океана. Расчеты производятся при следующих безразмерных термогидродинамических параметрах для объемной и поверхностной фаз:
Sc
875
120
1.2
106
MaT -1.3
109
GrT
2
Параметры пленки ПАВ:
МаГ
-8
104
Rmsm
0.2
10-13
Dm
1.2
Характерные параметры морской воды, являющиеся основой безразмерных чисел, взяты из справочника по морской воде [4] и книги Федорова [5]. Характеристики поверхностной газообразной пленки описаны в [1].
В качестве боковых граничных условий предполагается периодичность всех параметров. Граничными условиями сверху для уравнений переноса тепла, соли, инертной компоненты ставятся граничные условия на потоки:
Изменения | - | 0.1 | - |
за 1-й шаг сетки | 0.1 | 0.05 |
Начальному условию соответствует состояния покоя и постоянное значение всех параметров. Каждые 10 шагов по времени в точке с координатами, определяемыми с помощью генератора случайных чисел, задаются флуктуации температуры с амплитудой не превышающей 0.2 оС на поверхности от текущего состояния.
Конвекция Релея.
На рис.1 представлен расчет развития термической конвекции Релея (Gr ) случайных возмущений. Через каждые 10 шагов расчета, что соответствует 2.68 секундам, в произвольной точке поверхности задается случайное возмущение температуры (таблица 1).
Таблица 1.
аг | Время,сек. | Координата | Возмущение |
0 | 2.68 | (2,41) | -0.167 |
0 | 5.36 | (52,41) | 0.119 |
0 | 8.04 | (28,41) | -0.158 |
0 | 10.71 | (43,41) | -0.158 |
0 | 13.39 | (37,41) | 0.075 |
0 | 16.07 | (19,41) | 0.159 |
0 | 18.75 | (56,41) | 0.144 |
0 | 21.43 | (25,41) | 0.025 |
0 | 24.11 | ( 6,41) | 0.106 |
0 | 26.79 | (51,41) | -0.041 |
10 | 29.46 | (17,41) | -0.020 |
20 | 32.14 | (12,41) | -0.062 |
30 | 34.82 | (17,41) | -0.139 |
40 | 37.50 | (54,41) | -0.127 |
50 | 40.18 | (32,41) | -0.155 |
аг | Время,сек. | Координата | Возмущение |
60 | 42.86 | (56,41) | 0.161 |
70 | 45.54 | (48,41) | 0.086 |
80 | 48.21 | (58,41) | 0.164 |
90 | 50.89 | (6,41) | -0.150 |
00 | 53.57 | (27,41) | -0.002 |
10 | 56.25 | (16,41) | 0.099 |
20 | 58.93 | (47,41) | 0.023 |
30 | 61.61 | (38,41) | -0.161 |
40 | 64.29 | (27,41) | -0.116 |
50 | 66.96 | (44,41) | -0.017 |
60 | 69.64 | ( 3,41) | 0.082 |
70 | 72.32 | (36,41) | 0.120 |
80 | 75.00 | (30,41) | -0.169 |
90 | 77.68 | ( 5,41) | 0.110 |
Здесь координаты начальных возмущений, указанные в скобках, соответствует сетке 62х41 в слое жидкости 6х2 см. Время расчета 80.4 секунд.
Конвекция развивается достаточно медленно. После 53-й секунды, выделяются два достаточно удаленные термика, которые развиваются практически независимо, слегка отталкиваясь друг от друга. Термик представляет собой ячейку воды пониженной температуры, отрывающуюся от поверхности и переносимую его в толщу жидкости. На 75-й секунде они достигают дна. На 64-й секунде образуются новые 2 термика. Эти термики притягиваются друг к другу на поверхности и отталкиваются в объеме.
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]