Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 1053-1055
УДК 532.592
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ГИДРОЛОТОК ИПРИМ РАН ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЦУНАМИПОДОБНЫХ ВОЛН
© 2011 г. В.В. Попов, Ю.К. Левин, А.В. Семянистый
Институт прикладной механики РАН, Москва
iam-ras@mail.ru
Поступила в редакцию 16.05.2011
Представлены экспериментальные данные и обзор экспериментальных методик, используемых при генерации цунамиподобных волн, а также для прецизионного измерения их амплитуд, показано влияние воздушно-пузырьковых завес на обрушение волны при выходе ее на мелководье. Достигнутая на сегодняшний день точность измерения уровня жидкости составляет ±10 мкм. Обнаружен эффект перераспределения спектральной плотности мощности волны - рассеяние и перекачка энергии волны в низкочастотную область спектра.
Ключевые слова: цунами, пузырьковые завесы, скорость звука, газосодержание, прецизионные измерения уровня жидкости, спектр, перекачка энергии по спектру.
Введение
Моделирование в лабораторных условиях волн цунами представляет собой сложную научно-техническую задачу из-за трудности одновременного воспроизведения в лабораторных условиях безразмерных чисел, реализуемых на реальных волнах цунами. Это числа, определяющие как геометрическое, так и гидрофизическое подобие. Геометрическое подобие определяется: а) глубиной океана Н, б) высотой поднятия воды в волне И, в) протяженностью волны цунами X на глубокой воде. Для реальных волн отношения этих величин составляют И/Н ~ 10-3, Н/Х ~ 10-2, где Н — величина порядка километров, И — порядка метров, X — порядка сотен километров [1]. Гидрофизическое подобие, в основном, определяется отношением скорости распространения волны цунами V к скорости звука С в океане: V/C = 10—1—10_2. Данный гидрофизический параметр наиболее сложно моделировать в лабораторных условиях, поскольку скорость звука в воде остается прежней, а скорости распространения модельных цунами подобных волн падают в сотни раз.
Известно, однако, что в воде с добавками мелких воздушных пузырей скорость звука падает также в десятки раз уже при объемных га-зосодержаниях порядка 10—2, а плотность такой микропузырьковой среды практически равна плотности воды без пузырей [2]. С этой целью была предпринята попытка экспериментального изучения влияния добавок воздушных пузырей в воде
на характеристики модельной волны, в частности на физику обрушения ее при выходе на мелководье.
Одновременно с этим была разработана экспериментальная методика прецизионного измерения амплитуд цунамиподобных волн с высотой возвышения порядка нескольких миллиметров. Достигнутая на сегодняшний день точность составляет ±10 мкм [3]. Таким образом, удалось существенно продвинуться в сторону большей точности моделирования реальных волн цунами на лабораторном гидролотке.
Экспериментальная установка
Установка, на которой проводились исследования, состоит из гидролотка прямоугольного сечения высотой 0.35 м, шириной 0.26 м и длиной 15 м. В одном из торцов гидролотка располагается разработанный авторами генератор цунами подобных волн. Генератор позволяет формировать на выходе цунамиподобную волну с крутым передним фронтом и практически плоским гребнем заданной высоты — от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Глубина воды в лотке может меняться от 10 до 30 см. В противоположном от генератора волны торце располагается прозрачный измерительный участок, в котором размещаются сменные модельные участки прибрежного шельфа необходимой геометрии профиля дна.
Лоток оборудован системой измерений, состоящей их электронной части и системы скоростной киносъемки выхода волны на мелководье.
Электронная часть включает восемь расположенных на заданном расстоянии вдоль длины лотка датчиков уровня. Методика прецизионных измерений уровня воды была запатентована и подробно описана в [4]. Амплитуда волны в месте расположения датчика уровня фиксировалась с точностью ±10 мкм и записывалась в виде таблиц числовых значений (т.е. в оцифрованном виде). В дальнейшем эти данные использовались для вычисления спектральных характеристик волны по мере ее распространения вдоль лотка, ее отражения от торцов, при прохождении пузырьковых завес, и т.п. Скоростная киносъемка осуществлялась с использованием цифровой фотокамеры, которая обеспечивала скорость съемки до 250 кадров в секунду при разрешении 640x480 пикселей. Использование специальных люминесцентных добавок позволяло отслеживать отдельные линии тока в волне по мере ее выхода на мелководье и изучать механику обрушения.
Разработанный в ИПРИМ РАН большой гидродинамический лоток оригинальной конструкции (длина Ь = 15 м, водоизмещение V = 1.8 м3) с системой датчиков уровня воды с разрешением ±10 мкм и газосодержания — с точностью 0.03%, скоростной видеосъемкой (до 250 кадр/с), а также системой обработки данных с использованием методики частотно-временного анализа на основе быстрого преобразования Фурье, позволяет с высокой точностью исследовать волновые процессы малой амплитуды (точность ±10 мкм) в водной среде с различным газосодержанием (точность до 0.03%), в том числе — взаимодействие длинной нелинейной волны с пузырьковой завесой в мелкой воде.
Разработанная методика обработки данных с использованием частотно-временного анализа обеспечивает возможность автоматизации проведения экспериментов, обработки данных и их анализа. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы: в отсутствие пузырьковой завесы лоток как резонансная система усиливает мощность волнового процесса на час-тоте/= 0.079 Гц (длина волны X = 12.6 м) и уменьшает амплитуду низкочастотной области спектра волн на 6%; при формировании пузырьковой преграды (давление на входе диспергатора Р = 0.19
атм) усиливаются волны на частоте / = 0.0915 Гц (длина волны X = 10.9 м), а также уменьшается амплитуда низкочастотной области спектра на 44%.
Таким образом, обнаружен эффект перераспределения спектральной плотности мощности волны — рассеяние и перекачка энергии вол -ны в низкочастотную область спектра. Это дает основания полагать, что с помощью пузырьковой завесы можно уменьшать горизонтальный импульс волны цунами.
При проведении экспериментальных исследований был предложен оригинальный прибор — тарировочный датчик уровня №8 — для точного измерения уровня водной поверхности. На рис. 1 представлены результаты тарировки такого датчика (по горизонтальной оси — смещение датчика по вертикали (мкм), по вертикальной оси — регистрируемый сигнал (мВ) на выходе измерительной схемы).
У = 0.918 х + 0.8549
10
—15 — 10 — 5^0 5 10 15
—10
Смещение уровня, мкм Рис. 1
Список литературы
1. Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами и родственных явлений в океане. М.: Янус-К, 2005. С. 78.
2. Бошенятов Б.В., Попов В.В. Об измерении газосодержания микродисперсных газожидкостных сред акустическим методом // Гидродинамические проблемы технологических процессов / Под ред. В.В. Струминского. М.: Наука, 1988. С. 211—215.
3. Бошенятов Б.В., Левин Ю.К., Попов В.В. Устройство измерения уровня воды. ГР№2010141060 от 07.10.2010.
4. Бошенятов Б. В. и др. Метод измерения волн малой амплитуды на водной поверхности // ПТЭ. 2011 (в печати).
IAM RAS EXPERIMENTAL EQUIPMENT FOR STUDYING THE PHYSICS OF GENERATION AND PROPAGATION OF TSUNAMI-LIKE WAVES
V.V. Popov, Yu.K. Levin,A.V. Semyanisty
The experimental data and a review of experimental techniques used to generate tsunami-like waves are presented; the results of high-precision measurements of their amplitudes are given. The effect of air-bubble curtains on the collapse of the wave reaching shallow water is described. The up to date measurement accuracy of the changes of the liquid level is ±10 microns. An effect of the redistribution of the spectral density of the wave energy - scattering and transfer of the wave energy into the low-frequency spectrum - is found.
Keywords: tsunami, bubbles curtains, sound speed, gas content, precision measurement of liquid level, spectrum, spectral diagram, transfer of energy on the spectral diagram.