CC BY
18
УДК 551.576.
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ РОСТА ГРАДА
© 2010 г. Б.М. Хучунаев, А.Б. Хучунаев
Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, vgikbr@rambler.ru
High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, vgikbr@rambler.ru
Приводится аппаратура и методика проведения лабораторного моделирования начальной стадии образования града. Показана принципиальная возможность моделирования начальной стадии образования града при активных воздействиях различными реагентами. При концентрации кристаллов 106 -107 м'3 и водностях 0,5—0,6 г/м3 образование крупы массой около 0,03 г происходит за 5—7 мин.
Ключевые слова: облачная камера, концентрация кристаллов, реагент, лабораторное моделирование, водность, крупа, град.
Instrumentation and procedure of realization of the laboratory simulation of the initial stage of formation of the hail is reduced. The key possibility of model operation of the initial stage of formation of the hail is exhibited at the clond seeding by different reagents. At concentra-tion of crystals 106—107 m'3 and water contents 0,5—0,6 g/m3 formation ice groats a mass about 0,03г happens for 5—7 min.
Keywords: cloudy chamber, concentration of crystals, reagent, laboratory modelling, water content, groats, hailstone.
Образование осадков в атмосфере обусловлено взаимодействием многих физических процессов разного масштаба. Это создает значительные трудности при их изучении и требует широкого использования лабораторного моделирования, поскольку оно позволяет воспроизвести отдельные стороны облачных процессов и выявить влияние на них различных факторов. Многие сведения о процессах образования осадков в облаках из-за удаленности и изменчивости объекта могут быть получены только с помощью лабораторного эксперимента.
Основной целью работы является разработка аппаратуры и методики для лабораторного моделирования начальной стадии роста града.
Для исследования начальной стадии образования града был разработан комплекс аппаратуры: облачная камера, аэродинамическая труба, автоматизированная оптическая система для определения концентрации и размера ледяных кристаллов, аппаратура для измерения водности, парогенератор, аэрозольная камера, устройство для распыления жидких реагентов, устройство для возгонки реагентов, устройство для отбора проб.
Камера для лабораторных исследований облачных процессов
Облачная камера (рис. 1) представляет собой прямоугольную емкость объемом 9 м3с теплоизолированными стенками. Внутри камера облицована металлическим листом из оцинкованного железа и охлаждается с помощью трех холодильных агрегатов. Камера снабжена системой регулировки температуры, температура в камере может поддерживаться от 0 до -15 °С. Внутри камеры размещаются несколько термометров для контроля температуры и вентилятор для перемешивания водяного пара и реагента. Посредине камеры установлен направляющий лоток, на лотке у входа и выхода в камеру закреплены датчики запуска и остановки секундомера.
Для создания пара в комплект установки входит парогенератор, представляющий собой герметичную
емкость, способную выдержать давление до 10 атм. Внутри парогенератора имеется нагреватель, генератор снабжен манометром для контроля давления и краном с патрубком для запуска пара в камеру. В генератор заливается 1 л дистиллированной воды, включается нагреватель, после достижения давления пара в парогенераторе до 4 атм. пар с помощью соединительной трубки подается в охлажденную облачную камеру, там он переохлаждается и образует искусственное облако.
Рис. 1. Большая облачная камера для исследования взаимодействия реагента с облачной средой. 1 - счетчик-секундомер; 2 - направляющий лоток; 3 - система распыления реагента; 4 - дозатор; 5 - датчик запуска счетчика-секундомера; 6 - генератор пара; 7 - электронагреватель; 8 - манометр; 9 - система забора кристаллов; 10 - смотровые окна;
11 - система регулировки температуры
Аппаратура для распыления реагента и осаждения кристаллов
На рис. 2 приведена аппаратура для распыления жидких реагентов и осаждения кристаллов, которая состоит из микродозатора, баллона для подготовки раствора и подложек для улавливания кристаллов.
Для распыления жидких реагентов используют микродозатор жидких аэрозолей [1]. Микродозатор представляет собой емкость, способную выдержать
4
давление до 30 атм. и сопло для микродозирования. Внутри баллона имеется трубка-капилляр для соединения раствора с соплом. В нижней части трубки имеется фильтр. В микродозаторе можно использовать сменные сопла.
Рис. 2. Аппаратура для распыления реагента и осаждения кристаллов. а - микродозатор; 1 - сопло микродозатора; б - баллон для подготовки раствора; в - подложки для улавливания кристаллов с крышками
Аэродинамическая труба
Аэродинамическая труба (рис. 3) представляет собой прозрачный цилиндрический усеченный конус высотой 1 м, диаметром у основания 0,3 м, у вершины 0,08 м. Угол наклона конуса составляет 6°.
Рис. 3. Аэродинамическая труба для исследования начальной стадии роста града. 1 - корпус; 2 - подсветка; 3 - вентилятор; 4 - подложка для улавливания частиц; 5 - система стабилизации потока
Основание конуса закрыто крышкой, посредине ее имеется отверстие диаметром 8 см, внутри которого вмонтирована система стабилизации потока. Она состоит из цилиндра, внутри которого установлены полиэтиленовые трубки диаметрами 5 мм и длиной 15 см, к которым с обеих сторон прикреплены металлические сетки с ячейками 1*1 мм. Создание воздушного потока в трубе производится вентилятором. Скорость в камере регулируется по изменению напряжения питания автотрансформатором. Измерение скорости потока производится при помощи трубки Пито. Эпюра скоростей воздушного потока в аэродинамической трубе несколько отличается от классического представления, вытекающего из уравнения Н. Гюгонна: при дозвуковом движении газа, так же, как и в случае несжимаемой жидкости, с возрастанием площади сечения трубы скорость движения уменьшается, и наоборот, при уменьшении сечения скорость увеличивается. В нашем случае вблизи вентилятора поток не сразу расширяется, поэтому в самой широкой части трубы скорость максимальна, а по мере удаления от вентилятора скорость потока уменьшается до тех пор, пока диаметр потока не совпадет с диаметром труб, далее по трубе скорость увеличивается до самого низа. По сечению трубы в центре скорость максимальна, к краям уменьшается.
Важным вопросом при лабораторном моделировании является соответствие модели реальным атмосферным условиям. Для выяснения данного вопроса обычно используют принципы теории подобия. Соотношение подобия скорости и размера в воздушном потоке в нашем случае выполняется, так как размер частиц и скорость потока соответствуют реальным условиям. Что касается геометрических размеров в аэродинамических исследованиях, то принято, чтобы размеры аэродинамической трубы были на порядок больше размеров исследуемого объекта. Таким образом, в нашей аэродинамической трубе корректно можно исследовать рост частиц до 8 мм.
Аппаратура и методика измерения водности в камере
Для измерения водности были изготовлены специальные фильтры (рис. 4), они представляют собой две круглые пластины из целлюлозы, между которыми уложены желеобразные шарики полиакрилата. Фильтры могут поглотить и удерживать воду в 50 раз больше собственного веса. Измерение водности в камере производилось в два этапа. На первом этапе измерялось содержание воды в единице объема камеры, для чего последовательно проводились следующие операции: взвешивание фильтра, закрепление фильтра в фильтродержателе, запуск пара в камеру, перемешивание воздуха в камере, перекачка пробы воздуха из камеры через фильтр, взвешивание фильтра. Зная объем перекаченного воздуха и массу воды уловленного фильтром, определяем содержание воды в единице объема камеры (М). На втором этапе забор проб воздуха производится после оседания тумана, т.е. определялась абсолютная влажность воздуха в камере. Водность в камере определяется по формуле а = М -Ма, где Ма -абсолютная влажность.
Рис. 4. Аппаратура для измерения водности. 1 - электронные весы; 2 - фильтр с водопоглощающим порошком;
3 - аспиратор; 4 - фильтродержатель
Взвешивание фильтров производилось на электронных весах Adventurer Pro, точность измерения массы которых +0,15 мг, забор проб проводился аспиратором.
Для оценки точности измерении водности предложен способ: в стеклянную колбу набирают известное количество воды, затем колбу при помощи стеклянной трубки с тремя выходными отверстиями соединяют с вышеописанным устройством забора проб воздуха. После нагрева колбы на электрической плите производится забор проб воздуха из колбы. Ошибки при определении водности можно вычислить по формуле
Да = +
Дт1 - (Дт2ф + Дт1ф ) Дт2ф -Дт1ф
(1)
где Дт1 - масса воды, уловленная фильтром при заборе проб из колбы; Дт1ф - масса воды, испарившаяся из колбы при заборе проб, которая определяется взвешиванием воды в колбе до и после завершения забора проб; Дт2а - масса воды, уловленная фильтром из атмосферы, которая определяется забором воздуха из окружающей среды.
Результаты расчетов по формуле (1) показали, что Да < + 0,3.
Вышеприведенная аппаратура позволяет контролировать водность в камере. Однако для корректного проведения эксперимента, согласно [2], необходимо устройство управления водностью, т.е. устройство, которое показывает, как изменяется водность по мере запуска пара в камеру. Это устройство должно обеспечить создание необходимой водности в камере.
Для этих целей была создана аппаратура, состоящая из подсветки блока солнечных батарей и микроамперметра. Подсветка и блок солнечных батарей прикрепляются к деревянной рейке и при экспериментах помещаются в облачную камеру.
При включении подсветки свет падает на блок батарей, световая энергия преобразуется в электриче-
ский ток, значение которого измеряется микроамперметром. При введении пара в камеру свет поглощается каплями воды, численное значение тока падает.
Для выявления связи между водностью и значением тока была проведена калибровка. В дальнейшем калибровочная кривая использовалась для управления водностью в камере.
Программа проведения лабораторного
моделирования начальной стадии роста града
Прежде чем перейти к последовательности проведения лабораторного моделирования, определим параметр, характеризирующий рост града, и факторы, которые будут влиять на выбранный параметр. Более полной количественной характеристикой цели работы является скорость роста массы градин в начальной стадии его образования, поэтому её следует рассматривать как основной параметр оптимизации. Факторами, влияющими на скорость роста массы, очевидно, будут температура (0, концентрация кристаллов (Ы), размер кристаллов (Ь), водность в камере (а), заряд кристаллов (д).
Для корректного лабораторного моделирования факторы, влияющие на процесс, необходимо устанавливать и поддерживать на заданном уровне в течение всего эксперимента. В нашем случае температуру в камере можно поддерживать с точностью +1,5 оС в температурном диапазоне от 0 до -15 °С, концентрацией кристаллов можно управлять, дозируя массу реагента. Измерения, контроль и управление водностью осуществляются с помощью специальной аппаратуры. Размер кристаллов контролируется, но не управляется, а заряд кристаллов не контролируется и не управляется. Проведение предварительных экспериментов показало, что при концентрациях частиц 104-108 м-1 между а, / и Ь имеется значительная корреляционная связь. Поэтому управление размером кристаллов можно вычислить по концентрации и водности. Таким образом, разработанный комплекс аппаратуры позволяет контролировать и управлять основными факторами, которые влияют на скорость роста в начальной стадии образования града.
Последовательность проведения эксперимента заключается в следующем. Сначала в охлажденную до нужной температуры камеру запускают водяной пар до заданной водности, затем производят воздействие реагентом. Воздействие проводилось тремя способами: первый способ, который широко используется в институтах Росгидромета (ЦАО, НПО «Тайфун», ГГО), состоит из возгонки реагента в дымовой камере забором проб шприцом и внесением в облачную камеру. Второй способ состоит из возгонки реагента в камере. И третий - внесение жидкого реагента дозаторами. После воздействия включают аэродинамическую трубу. Использование двух способов возгонки реагентов вызвано тем, что при возгонке различных веществ, согласно [3], продукт возгонки приобретает как положительный, так и отрицательный заряд, это может играть определенную роль в процессе льдообразования. При возгонке реагента в дымовой камере и переносе его в облачную камеру, вероятно, происходит изменение распределения заряда реагента.
Параллельно производят измерение водности. Открывают крышки подложек для забора проб кристаллов. Для завершения эксперимента выключают вентилятор аэродинамической трубы, в результате чего выросшие частицы падают на подложку для улавливания частиц, которые затем забираются и взвешиваются на электронных весах. Предварительные пробные эксперименты, проведенные на вышеописанной аппаратуре, показали, что при концентрациях кристаллов 106 на 1 м3 в камере в течение 1-2 мин наблюдается полная кристаллизация капель воды. После включения вентилятора аэродинамической трубы начинается рост частиц крупы. Частицы свободно подымаются и опускаются в аэродинамической трубе. В отличие от ранних представлений при коагуляции кристаллов образуются не хлопья снега, а крупа молочно-белого цвета.
Поступила в редакцию_
Результаты предварительных экспериментов по лабораторному моделированию показали принципиальную возможность моделирования начальной стадии образования града при активных воздействиях различными реагентами. При концентрации кристаллов 106 -107 м 3 и водностях 0,5-0,6 г/м3 образование крупы массой около 0,03 г (размером 3-5 мм) происходит за 5-7 мин.
Литература
1. Патент РФ № 2228801МПК 7В05В11/00 29.07.2002 г. Устройства для распыления жидкости в атмосферу.
2. Адлер Ю.П., Марков Е.В., Гренадский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условии. М., 1978. 278 с.
3. Заряды и фрактальные свойства наночастиц - продуктов горения агломератов алюминия / В.В. Корсев [и др.] // Физика горения и взрыва. 2001. Т. 37, № 6. С. 133 - 135.
_23 ноября 2009 г.
