CC BY-NC
7
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-395-155-161 УДК 536.24
С.С. Зенченко
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ОСОБЕННОСТЬ ОТКЛИКА ПРИВОДНОГО СЛОЯ ВОЗДУХА НА ЛОКАЛЬНЫЕ И МАСШТАБНЫЕ ВАРИАЦИИ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА «ВОДА - ВОЗДУХ»
Объект и цель научной работы. Объект работы - приводный слой на границе раздела «вода - воздух». Цель - изучение в контролируемых условиях динамики свойств при вариации состояний теплового поля водной поверхности.
Материалы и методы. Применены контактные многоканальные средства контроля температуры и характеристик влажности, а также тепловизионные средства контроля температуры водной поверхности. Обеспечено моделирование различного теплового состояния границы раздела двух сред и гидрофизических возмущений свободной поверхности малой интенсивности.
Основные результаты. Получены данные о модельном представлении и проведено экспериментальное подтверждение вариаций состояния влажности приводного слоя при различных состояниях теплового поля границы раздела двух сред и возмущений этой границы средствами малой интенсивности.
Заключение. Получены данные о качественном изменении параметров влажности приводного слоя границы раздела на базе расчетов по одновременно измеренным количественным параметрам теплового поля водной среды у границы раздела и приводного слоя.
Ключевые слова: приводный слой, термослой, граница раздела «вода - воздух», температура воды, температура воздуха, термогигрометр, относительная влажность воздуха, акустический канал, обдув поверхности, сухой и влажный термометр, конвекция.
Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1 -395-155-161 UDC 536.24
S. Zenchenko
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
PECULIARITIES OF SURFACE LAYER RESPONSE TO LOCAL AND GLOBAL VARIATIONS OF TEMPERATURE FIELD AT WATER-AIR BOUNDARY
Object and purpose of research. This paper discusses surface layer at water-air boundary. The purpose of this work to investigate, in controllable conditions, the dynamics of surface layer properties depending on temperature variations.
Materials and methods. Contact multi-channel tools for temperature and humidity control, as well as infrared tools for water surface temperature monitoring. Simulation of different thermal conditions at water-air boundary and low-intensity hydrophysical disturbances on the free surface.
Main results. The study yielded simulation data and experimental confirmation of humidity fluctuations in the surface layer at different temperatures at water-air boundary in the conditions of low-intensity disturbances.
Для цитирования: Зенченко С.С. Особенность отклика приводного слоя воздуха на локальные и масштабные вариации поля температуры границы раздела «вода - воздух». Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 1(395): 155-161.
For citations: Zenchenko S. Peculiarities of surface layer response to local and global variations of temperature field at water-air boundary. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 1(395): 155-161 (in Russian).
Conclusion. This study yielded the data on qualitative changes in surface layer humidity based on the calculations as per simultaneously measured temperatures of water in the surface layer and near water-air boundary.
Keywords: surface layer, thermal layer, water-air boundary, water temperature, air temperature, thermohygrograph, relative air humidity, acoustic channel, surface blowing, wet-and-dry-bulb thermometer, convection. The author declares no conflicts of interest.
Одной из важных задач гидрофизического направления Крыловского государственного научного центра является изучение тепловых процессов на границе раздела «вода - воздух», играющих важную роль в задачах метрологического обеспечения дистанционных методов измерения, контроля экологии морской среды, изучения климата над океаном и контроля поля температуры в интересах эксплуатации морских объектов. Проводимые на протяжении почти 50 лет исследования дали возможность раскрыть новые элементы явлений, разработать гидрофизические модели и обеспечить их совершенствование благодаря применению новых методик измерений и высокоточной тепловизион-ной техники.
Проводимые в последние годы работы [1] впервые позволили получить данные на основании совместных измерений поля температуры водной поверхности в ИК-диапазоне спектра и поля влажности в приводном слое. Результаты исследований качественно подтвердили объективность и необходимость сочетания таких измерений с целью выяснения механизмов поведения тонкой структуры термослоя (поверхностной пленки воды) на границе раздела двух сред [2]. Материалы настоящей работы являются продолжением исследований автора в этом направлении. Они сосредоточены на тонкостях поведения самого приводного
Рис. 1. Картина распределения температуры на границе двух сред и пояснение методики применения измерительных средств
Fig. 1. Temperature distribution at water-air boundary and explanation of hardware application procedure
слоя, оцененного по данным одновременного контроля с помощью многоканального термогигрометра (рис. 1) относительной влажности, точки росы и температуры воздуха, реагирующих на малые возмущения различного рода и интенсивности на границе раздела двух сред. Для оценки точного состояния температуры свободной поверхности (СП), максимально приближенной к границе раздела двух сред, применялись различные ИК-каналы спектральных диапазонов 7,5-14 и 1,55,7 мкм, обеспечивающие контроль, соответственно, в слое (2эфф.) до 20 мкм и в водной среде у границы раздела до 300 мкм. Различное состояние термослоя моделировалось путем создания и варьирования соотношения между температурой воды (7в) и воздуха (Та) в квазиизотермических слоях воды и воздуха, которая обеспечивает создание теплого или холодного термослоя и отвечает за формирование общего теплового потока при взаимодействии двух сред. В качестве источников возмущений использовались акустическое поле, нормально направленное с глубины к поверхности, и поле ветрового возбуждения свободной поверхности в диапазонах и интенсивности, соизмеримых с уровнем сил поверхностного натяжения, под действием которых обеспечивается механическая устойчивость термослоя.
Кроме того, моделирование различного состояния термослоя искусственно осуществлялось при различных абсолютных значениях температуры воды. Это обстоятельство позволяло проследить динамику процессов в различных условиях влажности приводного слоя. Например, при создании теплого термослоя обеспечивалось соотношение между температурами воды и воздуха, разность между которыми находилась в диапазоне от -4,0 до -4,8 °С. Для другого случая эта разность находилась в диапазоне от -9,0 до -14 °С. Сохранение примерно одинаковой разности температур (-4,0 и -4,8 °С) сопровождалось различным абсолютным значением температур воды. Так, при разности -4,8 °С температура воды была 23,6 °С, для разности -4,0 °С применялась вода с температурой 18,0 °С. Такое отличие и формировало показатели влажности воздуха основного объема над водной акваторией, контролируемые с помощью гигрометра на
основании данных сухого и влажного термометров. Для более высокой температуры воды влажность достигала не менее 68 %, для более низкой - 32 %. При других упомянутых значениях разности температур абсолютные значения температуры воды составляли 17,5 и 12,3 °С, а влажность воздуха не превышала 19 и 32 % соответственно. Возможные модели поведения приводного слоя воздуха представлены ниже.
Теплый термослой (7в < 7a)
Warm thermal layer (7в < Ta)
Влияние акустического возбуждения поверхности
Рассматривается картина распределения температуры в приповерхностном слое, в термослое и приводном слое воздуха (рис. 1). Это состояние характеризуется параметрами:
■ /а - температура воздуха на уровне 1-2 мм у поверхности, регистрируемая термогигрометром;
■ td - точка росы, отвечающая определенному фоновому состоянию до приема искусственного возмущения, определенного состоянием влажности воздуха;
■ f - относительная влажность воздуха на уровне 1-2 мм;
■ Тюо1 - температура воды в тонком эффективном излучающем слое, контролируемом ИК-каналом;
■ Еюо1 - насыщающая упругость водяного пара при Тюо1;
■ е 1 - давление пара для Тюо1;
■ d1 - дефицит влажности для определенного f и Тюо1.
Основным контролируемым параметром приводного слоя воздуха может считаться относительная влажность воздуха. Основные правила расчета вышеназванных параметров определены согласно данным табулированных психометрических таблиц [3].
При работе акустического канала (АК) происходит подъем водных слоев к поверхности (в эффективный излучающий слой) на 1 мм. При теплом термослое появляется вода с температурой Тюо2, причем Тюо2 < Тюо1. Это является причиной изменения всех параметров, относящихся к водной среде и их соотношению:
Еюо2 < Еюо1; е2 < е1; d2 > d1.
Температура поверхности понижается в пределах 1 °С, параметры влажности и их соотношение свидетельствует об уменьшении возможности
выхода паров воды с поверхности из-за уменьшения насыщающей упругости пара при более низкой температуре воды. Соотношение точки росы и температуры поверхности свидетельствует о практически постоянном превышении температуры поверхности по сравнению со значением точки росы. Этот факт свидетельствует о наличии в целом в масштабах акватории измерения процесса испарения.
Вследствие перечисленных обстоятельств следует ожидать падения влажности воздуха в приводном слое /2 </1. Но при этом падение влажности определено состоянием и возможностями основного объема воздуха над акваторией. Оно оценивается по состоянию сухого и влажного термометров. При теплом термослое оно зависит от величины температуры воздуха на значительном удалении от водной поверхности и температуры воды на значительном удалении от поверхности. Поэтому в приводном слое (на уровне 1-2 мм) определяющей будет температура воздуха на удалении 1-2 мм от поверхности и температуры воды, определяемой значениями в эффективном излучающем слое. При работе АК температура воздуха /а практически не меняется. Величина относительной влажности основного объема над акваторией будет ниже величины влажности в приводном слое. Искусственное возмущение приводит к снижению этих значений в пределе, ограниченном величиной влажности основного объема воздуха акватории.
Влияние процесса ветрового возбуждения поверхности
Значения скорости ветрового потока при обдуве ограничены величиной 0,5 м/с, обеспечивающей создание гравитационно-капиллярного волнения.
В этом случае происходит многофакторное воздействие ветрового потока: осуществляется генерация волнения, создание сдвиговых течений на СП, изменяющих поверхностное натяжение и усиливающих конвективные движения на границе раздела двух сред, механическое перемешивание поверхностного слоя, которое способствует подъему (так же, как при возбуждении поверхности акустическим полем) масс воды с нижележащих слоев. Следствием этого является понижение температуры поверхности Тюо2 со всеми вытекающими последствиями установления показателей влажности:
Еюо2 < Еюо1; е2 < е1; ё2 > ё1.
В этом случае опять уменьшается возможность выхода паров воды в атмосферу. Поскольку сохра-
няется соотношение между температурой точки росы и температурой поверхности в пользу превышения значений температуры воды, идет процесс испарения (в противном случае наблюдается процесс конденсации влаги). Кроме того, обдув поверхности производится не чем иным, как потоком воздуха, забираемым из основной массы объема воздуха над акваторией, расположенного на значительном удалении от СП и имеющего температуру выше, чем температура воздуха на уровне 1-2 мм от поверхности. Значения насыщения влагой удаленного и приводного слоев различны, поэтому у поверхности появляется воздух с низким значением относительной влажности. В дополнение к этому менее насыщенный влагой воздух быстро добирает массу паров за счет механического удаления ветровым течением этой массы от самой поверхности. Таким образом, можно ожидать значительного уменьшения показателя влажности f2, но не более значения влажности основного объема воздуха над акваторией (на значительном удалении от поверхности воды).
Холодный термослой (7в > Ta)
Cold thermal layer (Тв > Ta)
Влияние акустического возбуждения поверхности
При таком соотношении тепломассообмена в результате действий АК происходит подъем к СП более теплых масс воды, залегающих ниже термослоя. Новые значения параметров влажности и их соотношения будут следующими:
Тюо2 > Тюо1; Еюо2 > Еюо1; е2 > е1; d2 < dl.
Поэтому на границе раздела двух сред создается ситуация, способствующая усилению процесса испарения (при том, что td2 > tdl, а Тюо2 > tdl), подтверждаемая превосходством испарения на СП. Таким образом, происходит концентрация паров влаги и можно ожидать повышения влажно-стиf2 >fl.
Влияние процесса ветрового возбуждения поверхности
Все соотношения предыдущего рассмотрения в этом случае сохраняются. Происходит механическое вмешательство в процесс конвекции, его усиление и появление более насыщенной влагой теплой воды с нижележащих слоев воды. Но здесь процесс сложнее, чем для случая теплого термослоя и его охлаждения. В приводный слой вдувается
более холодный и менее насыщенный воздушный поток с меньшим значением влажности, удаленный с основного объема над акваторией. С установленной скоростью движения осуществляется отвод насыщенных повышенных паров влаги и замена их массами с меньшим содержанием влаги.
Можно предполагать, что разность, вносимая обдувом, будет меньше, чем наблюдается при теплом термослое, поскольку существуют встречные процессы обмена влаги из-за движения ветрового потока, определенного насыщением масс воды с более высоким значением температуры. Кроме того, надо учитывать, что процесс конвективных движений в приповерхностных слоях более интенсивен вследствие неустойчивости термослоя в целом. Взаимодействие конвективных движений с ветровым наложением может носить нестабильный характер и сопровождаться эффектами флуктуаций параметров температуры и влажности, формирующие пространственно-временную изменчивость и образование флуктуаций различной частоты до и после применения различного рода возмущений.
В целом, в данном случае можно предполагать наличие процесса уменьшения относительной влажности воздуха: f2 <fl.
Результаты экспериментальной проверки предполагаемых моделей
Test results for proposed models
Для холодного термослоя (7в > 7а)
Влияние акустического возбуждения свободной поверхности
Для этого случая были проведены два эксперимента. В качестве примера на рис. 2 представлена одна из характерных сделанных термогигрометром записей изменений мгновенных и средних значений относительной влажности.
Длительность измерений в экспериментах составляла около 20 мин. Продолжительность включения АК не превышала 15 мин. В предшествующих началу возмущений отрезках времени контроля параметров влажности наблюдались учащенные выбросы влажности. По амплитуде они достигали уровня 65 %. В период, сопровождающий естественные процессы взаимодействия между водой и воздухом, среднее значение параметра влажности с интервалом осреднения в 1 мин. составило 40,98 %. После включения процесса возмущения термослоя наблюдалось повышение среднего зна-
Рис. 2. Изменения показателей относительной влажности до (а) и после (b) возмущения свободной поверхности посредством акустического канала
Fig. 2. Relative humidity before (a) and after (b) acoustic disturbance of the free surface
a)
'^r1
чения влажности, составившего за период наблюдения 14 мин. при осреднении в 1 мин. значение 42,25 %. Характерной особенностью происходящих процессов явилось появление более длительных выбросов влажности в диапазоне изменения от 15 до 50 с. Значения интервалов составили 15, 20, 35, 40 и 50 с. Максимальное отдельное значение относительной влажности достигало 75 %. Осреднение с тем же интервалом в течение 5 мин. после восстановления поля влажности составило 42,64 %. В период восстановления появлялись более короткие по времени выбросы влажности, и в максимуме они не превышали 60 %. Наблюдаемый процесс восстановления параметров состояния приводного слоя оказался незавершенным и имел более длительный процесс релаксации.
Из-за действия малых возмущений, моделируемых применением АК, происходит подъем более теплой воды в область термослоя, усиливающий процесс насыщения и концентрации влаги в приводном слое. При этом поддерживается процесс взаимоотношения между температурой воды и температурой точки росы, когда превалирующим является испарение с поверхности. Поэтому основные классические предположения выражаются в увеличении влажности в приводном слое /2 >/1 и подтверждают предварительно рассмотренные модели.
Ветровой обдув
Пример реакции приводного слоя на возмущения, генерируемые посредством ветрового потока, показан на рис. 3.
Результаты измерений однозначно указывают на резкое уменьшение относительной влажности воздуха приводного слоя (/2 </1), связанное с от-
водом паров из тонкого слоя из-за прихода холодного воздуха с меньшим содержанием влаги. Это полностью согласуется с обоснованием предварительной модели.
Для теплого термослоя (Тв < Та)
Влияние акустического возбуждения свободной поверхности
Наглядность процессов можно проследить на примере рис. 4.
В результате использования АК происходит появление на СП существенно более низкой температуры воды, под действием которой идет отток влаги из очень теплого воздуха. По материалам исследований величина первоначального состояния при-
Рис. 3. Изменение параметров приводного слоя при обдуве (холодный термослой)
Fig. 3. Variations of surface layer temperature due to blowing (cold thermal layer)
b) Рис. 4. Два примера измерений для слабовыраженного (а) и сформировавшегося (b) термослоя
Fig. 4. Two examples of measurements for weak (a) and strong (b) thermal layer
водного слоя соответствовала величине относительной влажности на уровне 80-85 %. Температура Та была выше 28,5 °С. Температура воды Тв достигала 23,5 °С. Относительная влажность воздуха над акваторией (показания сухого и влажного термометров) в ходе экспериментов изменялась в диапазоне от 58,5 до 70 %. В результате возбуждения поверхности ее температура понижалась на величину в диапазоне от 0,6 до 0,7 °С и интенсивность процесса испарения уменьшалась за счет уменьшения насыщающей упругости пара при более низкой температуре. Отклик на эти изменения со стороны приводного слоя проявился в понижении влажности до значений, ограниченных диапазоном от 74,88 до 76,06 %. Результаты не противоречат предполагаемым моделям.
Ветровой обдув
На рис. 5 представлены результаты измерений для двух различных состояний эксперимента. На рис. 5а относительная влажность помещения не превышала 32 %, для условий случая рис. 5Ь влажность составляла около 60 %. В результате обдува в приводный
а)
слой попадал более сухой ненасыщенный воздух и температура приводного воздуха (/а) резко повышалась. Пришедший воздух, менее насыщенный влагой, забирает влагу из насыщенного до 70-75 % приводного слоя. Падение влажности происходило до 35,5 % и ограничивалось значением состояния влажности воздуха над акваторией. Аналогичная реакция происходила и для другого эксперимента. В этом случае первоначальное состояние приводного слоя (85 %) уменьшилось до 57-60 %, что полностью соответствовало состоянию влажности основного объема воздуха над акваторией.
Заключение
Conclusion
1. Приводный слой является дополнительной информативной средой, изменения параметров которой коррелируют с динамикой теплового поля границы раздела «вода - воздух».
2. Совместное использование чувствительной тепловизионной техники и многоканальных микроконтактных средств регистрации тем-
b)
Рис. 5. Результаты измерении при обдуве теплого термослоя для различных начальных состояний приводного слоя и основного объема воздуха над акваторией. Относительная влажность помещения: а) не превышает 32 %; b) около 60 %
Fig. 5. Measurement results for warm thermal layer blowing with different initial states of surface layer and main volume of above-water air. Indoor relative humidity: a) within 32 %; b) about 60 %
пературы и влажности обеспечивают проведение тонких экспериментов контроля параметров границы раздела «вода - воздух» и приводного слоя.
3. Синхронный контроль параметров приповерхностных слоев воды и приводного слоя воздуха свидетельствует о различном проявлении последствий возмущений водной границы двух сред в условиях различных состояний теплового поля этой границы.
4. В связи с большим многообразием процессов, происходящих при возмущении СП в условиях холодного термослоя, целесообразно расширить исследования с применением мероприятий, усиливающих наглядность отклика результатов динамики холодного термослоя. В качестве рекомендаций можно использовать применение более интенсивных возмущений приповерхностных слоев посредством пузырькового апвел-линга или вертикально направленной водной струи. Также для усиления контраста можно использовать при тех же параметрах интенсивности возмущений более холодное состояние водной среды с целью снижения собственной температурной флуктуации и конвективных движений в ней.
Список использованной литературы
1. Зенченко С.С. Дистанционные методы контроля изменчивости поля температуры морской поверхности // Военно-морской флот и судостроение в современных условиях: сборник докладов Х Международной конференции ^N-19. Санкт-Петербург, 2019. С. 246-251.
2. Зенченко С.С. Исследование динамики поверхностной пленки воды при различных условиях тепломассообмена на границе раздела «вода - воздух» // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Вып. 2(384). С. 112-120.
3. Психометрические таблицы / Сост. Д.П. Беспалов [и др.]. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1972. 235 с.
References
1. S. Zehchenko. Remote measurement methods for sea surface temperature // Compendium of Papers, 10th International Conference Navy and Shipbuilding Nowadays (NSN-2019). St. Petersburg, 2019. P. 246-251. (in Russian).
2. S. Zenchenko. Dynamic studies of surface water film in different heat & mass exchange conditions at water-air boundary // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018. Vol. 2(384). P. 112-120 (in Russian).
3. D. Bespalov et al. Psichrometric tables. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1972. 235 p. (in Russian).
Сведения об авторе
Зенченко Сергей Сергеевич, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (911) 783-92-95. E-mail: zenchenko50@bk.ru.
About the author
Sergey S. Zenchenko, Cand. Sci. (Eng.), Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskov-skoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Тел.: +7 (911) 783-92-95. E-mail: zenchenko50@bk.ru.
Поступила / Received: 25.08.20 Принята в печать / Accepted: 03.03.21 © Зенченко С.С., 2021
