Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей

Строкатов, Антон Анатольевич

Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Строкатов, Антон Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей»

Автореферат диссертации на тему "Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей"

00305Б848 На правах рукописи

Строкатов Антон Анатольевич

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОГНЕННЫХ И ТЕПЛОВЫХ СМЕРЧЕЙ

01.02.05 - «Механика жидкости, газа и плазмы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 2007

003056848

Диссертация выполнена на кафедре физической и вычислительной механики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Томского государственного университета и в лаборатории распространения волн Института оптики атмосферы СО РАН.

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Голованов Александр Николаевич

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Цвык Рувим Шахнович

доктор физико-математических наук Самсонов Виктор Петрович

кандидат технических наук, доцент Руденко Михаил Георгиевич

Ведущая организация: Институт теплофизики СО РАН

им. С.С. Кутателадзе (г. Новосибирск)

Защита состоится 16 мая 2007 года в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, ауд. 119 (главный корпус ТГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан ^у^г^уг; 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.

Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Огненные и тепловые смерчи являются примерами экологических катастроф [1-3]. Они наносят огромный ущерб окружающей среде и приводят к многочисленным разрушениям и человеческим жертвам. В настоящее время в мире ежегодно регистрируется около 1000 смерчей. Если тепловые смерчи (вихри типа торнадо) достаточно частые явления, то огненные смерчи довольно редкие природные явления, которые возникают при крупных лесных пожарах, массовых пожарах в городах и авариях на крупных пожароопасных объектах нефтехимии, лесоперерабатывающей

промышленности и других. Последствиями атомной бомбардировки Хиросимы (1945 г.) и массированных бомбежек Гамбурга (1943 г.) и Дрездена (1945 г.) военно-воздушными силами США во время второй мировой войны стали исключительно опасные продолжительные неуправляемые пожары. После множественных одновременных возгораний в условиях города, плотно насыщенного горючими материалами, пламена сливались, образуя достаточно однородно горящую площадь, вследствие чего возникли огненные смерчи [4, 57]. Огненные смерчи наблюдались также при бомбардировках городов Касселя и Дармштадта, а в 1926 году в США в Калифорнии в результате удара молнии в нефтехранилище.

Механизм возникновения и эволюции в смерче затруднительно исследовать в природных условиях, так как это явление потенциально опасно. Лабораторными исследованиями смерчей-вихрей в газах и в жидкостях занимаются давно, как в нашей стране, так и за рубежом [8, 9]. Однако даже самые интенсивные и локализованные атмосферные вихри торнадо до сих пор мало изучены. В литературе недостаточно работ, посвященных экспериментальному исследованию огненных смерчей. Поэтому моделирование и исследование огненных и тепловых смерчей в лабораторных условиях является актуальной задачей.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования диссертационной работы являются огненные и тепловые смерчи. Предмет исследования - анализ причин, приводящих к возникновению огненных и тепловых смерчей, выяснение условий развития, устойчивости и восприимчивости смерчей к малым энергетическим возмущениям.

Методы исследования. В качестве основных методов использовались методы физико-математического моделирования и статистического анализа данных. Методологической базой исследования послужили работы [8-23].

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является проведение комплекса экспериментальных исследований огненных и тепловых смерчей в лабораторных условиях и сравнение полученных результатов с натурными явлениями. Исходя из указанной цели исследования, решались следующие задачи:

1. Обзор публикаций и создание экспериментальных установок для моделирования огненных смерчей в лабораторных условиях несколькими независимыми способами.

2. Проведение экспериментальных исследований, выбор критериев подобия процессов течения и теплообмена газа в огненных и тепловых смерчах и их численное определение.

3. Сравнительный анализ огненных смерчей, полученных при сгорании разных типов горючих материалов.

4. Выяснение механизма формирования, функционирования и устойчивости смерчей.

5. Сравнение полученных физических моделей огненных и тепловых смерчей с натурными явлениями и теоретическими исследованиями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны и созданы стенды для моделирования огненных и тепловых смерчей в открытом пространстве в лабораторных условиях.

2. Выяснен механизм течения и теплообмена газа в огненных и тепловых смерчах на основании экспериментальных данных по гидродинамической структуре течения газа в вихрях.

3. Рассчитаны и определены критерии возникновения и эволюции огненных и тепловых смерчей.

4. Исследованы восприимчивости смерчей к малым энергетическим возмущениям - акустическим колебаниям.

На защиту выносятся следующее:

1. Конструкции и установки, на которых несколькими независимыми способами были получены огненные и тепловые смерчи в открытом пространстве. Возможность физического моделирования смерчей в лабораторных условиях.

2. Экспериментальные результаты определения термогазодинамических параметров течения газа и теплообмена в огненных и тепловых смерчах на основе использования упомянутых ранее установок.

3. Механизм процесса формирования и устойчивости смерчей.

4. Возможность управления и разрушения теплового смерча малыми энергетическими возмущениями, акустическими колебаниями в лабораторных условиях.

Достоверность. Достоверность экспериментальных результатов работы обеспечена использованием различных независимых методик определения термогазодинамических параметров в смерчах, статистической обработки результатов измерений и их сравнением с некоторыми экспериментальными и теоретическими данными российских и зарубежных авторов, опубликованными в научной литературе и в том числе данными результатов наблюдений за реальными массовыми пожарами в Гамбурге [4].

Практическая значимость полученных результатов. В диссертационной работе, проведен комплекс экспериментальных исследований

огненных и тепловых смерчей, часто возникающих в приземном слое атмосферы, при различных природных (лесные и степные пожары) и техногенных (горение нефти, разлитой по различным типам подстилающей поверхности и горючего газа, при разрыве нефте- и газопроводов) катастрофах с учетом взаимосвязи движения горючих жидкостей и газов и их горения с образованием огненного столба, перемещающегося по подстилающей поверхности. В результате экспериментальных исследований смерчей построена физическая модель процесса и обнаружена восприимчивость течений газа в вихрях к воздействию акустических колебаний, направленных перпендикулярно к восходящему потоку. Найдены избирательные значения частот акустических колебаний, разрушающих тепловой смерч. Выяснены механизмы формирования и устойчивости вихрей этого класса течений, что позволит предложить новые способы борьбы с ними.

Апробация работы. Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробировались на 10 международных и региональных конференциях, в том числе Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Горно-Алтайск,

2004), XI Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean optics. Atmspheric Physics" (Томск, 2004), XIII Симпозиуме по горешпо и взрыву (Черноголовка,

2005), 5 International Seminar on Flame Structure (Новосибирск, 2005), Международном научно-техническом симпозиуме "Образование через науку" (Калуга, 2005), IX Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование" (Томск, 2005), Международной конференции "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (Иркутск, 2005), Международной научно-практической конференции "Снежинск и наука - 2006" (Снежинск,

2006), Международной конференции «Пятые Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2006). XIII Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" (Томск, 2006).

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в центральной печати в журналах, рекомендованных ВАК. Автор был ответственным исполнителем гранта 130327 в ведомственной программе Министерства образования и науки РФ Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмма по разделу 3.3 «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов», проект «Экспериментальное исследование огненных смерчей», 2005 г., а также является исполнителем гранта РФФИ 05-01-00201-а «Математическое моделирование возникновения и распространения огненных смерчей», 2005-2007 гг.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 95 наименований на русском и иностранных языках. Работа содержит 132 страницы текста, 40 рисунков и 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется актуальность работы, цель и задачи исследования, излагается краткое содержание работы. Отражена научная новизна работы и практическая значимость результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В главе 1 дается краткий обзор как российских, так и зарубежных ученых по проблеме формирования и функционирования вихрей типа торнадо и огненных смерчей, схожих друг с другом [1-19]. Обобщены немногочисленные статистические данные о смерчах. Рассмотрены основные модели вихревых структур (модели Рэнкина и Бюргерса), которые качественно отражают основные особенности концентрированных вихрей [15].

Глава 2. В главе «Экспериментальные установки и методики определения термогазодинамических параметров» описаны экспериментальные установки, разработанные для моделирования огненных и тепловых смерчей.

Моделирование огненных смерчей осуществлялось в лабораторных условиях с помощью трех независимых способов, основанных на закрутке восходящего конвективного потока продуктов сгорания нефти (моделирование горения нефти разлитой но поверхности почвы), конструкций из дерева (моделирование пожаров в населенных пунктах) и лесных горючих материалов (моделирование лесных пожаров). Конвективный поток закручивался вращением нижнего основания подложки с горючими материалами, сверху вращающимися лопастями вентилятора и сбоку с помощью воздушного потока, генерируемого аэродинамической трубой МТ-324.

Принципиальные схемы установок показаны на рисунке I. Рисунок 1,а соответствует тангенциальной закрутке смерча - 1, образованного продуктами горения, размещенными на подложке - 2, за счет вращения с угловой скоростью

Рисунок 1 - Принципиальные схемы экспериментальных установок

ш основания конструкции - 3. На рисунке 1,6 показана закрутка смерча - 1, образованного продуктами горения, размещенными в подложке - 2, с помощью вращения вентилятора - 3, расположенного в верхней части факела. Подложка с горючим материалом при этом оставалась неподвижной. На рисунке 1,в смерч -1 закручивается потоком воздуха - 3 в направлении перпендикулярном оси симметрии факела. Подложка с горючими материалами - 2 расположена под углом а к направлению вектора скорости воздушного потока.

Моделирования тепловых смерчей осуществлялось в лабораторных условиях с помощью экспериментальной установки, основанной на закрутке восходящего конвективного потока вращением нижнего основания. Установка была создана, для исследования восприимчивости течения газа в смерче к акустическим колебаниям и влияния малых возмущений на устойчивость смерча, что позволило рассмотреть вопросы об усилении и подавлении турбулентных пульсаций газа в тепловом смерче. Диапазон частот акустических колебаний варьировался от (10+5000) Гц, интенсивность звука составляла I = (55-65) дБ.

С помощью контактных и бесконтактных методов определялись газодинамические и тепловые параметры огненных и тепловых смерчей.

В процессе проведения экспериментов после образования огненного смерча контролировалась температура газа Те термоэлектрическим методом с помощью хромель-алюмелевой термопары с диаметром спая 2-10"4 м.

Величина теплового потока q определялась известным экспоненциальным методом, основанным на измерении скорости нагрева чувствительного элемента датчика теплового потока. Теплоизолированный чувствительный элемент датчика выполнен из материала с высоким значением коэффициента теплопроводности (из меди). Толщина чувствительного элемента 2-10'3 м, диаметр 2-10" м.

я <»Т (1)

где р, ср, 5 - плотность, теплоемкость и толщина чувствительного элемента.

Характерные размеры чувствительного элемента определялись из условий:

г а8 а,,т

— «1, В1 = — «1, Ро= —тг- » 0,35, (2)

О X 5

где О - диаметр чувствительного элемента; X, а5 - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности меди; г - характерное время изучаемого процесса; В1, Бо - числа Био и Фурье.

Линейная скорость газа в направлении оси Ог и тангенциальная V,, измерялись те р м оа н е мо метр и ч ее Ким методом, пневмомегрическим методом с помощью трубки Пито диаметром 2-10"3 м и регистрацией траекторий движения мелкодисперсных частиц алюминия, вводимых в поток в направлении тангенциальной скорости вращения вихря (Рисунок 2).

Время экспозиции фоторегистрирующего устройства т = 0,008 с. Обработка фотопленки осуществлялась на м и к ро фотометре МФ-2. Скорость газа v в смерче определялась как

] — длина трека светящейся

v = -> гДе

частицы алюминия;

Также

Рисунок 2 - Треки алюминиевых частиц смерче

светящихся з огненном

регистрация траектории движения частиц осуществлялась с помощью Цифрового фотоаппарата марки Pentax Optio S45 после чего кадры обрабатывались на компьютере с использованием программы Adobe Photoshop.

Определение скорости горения ^ _, , где

Дт

Дт - убыль массы, Дт- время гореиия Нефти, лесных горючих материалов и фрагментов зданий, осуществлялось с шмотью их взвешивания и измерения времени горения Дт секундомером типа СЭЦ. Дополнительно проводилась регистрация процессов горения и образования огненных смерчей телевизионной камерой Sony.

Описываются оптические методы определения влияния высокотемпературной среды на распространение излучения и методика определения яркостной температуры в огненном смерче с помощью тепловизора АГА-780 SW.

При обработке результатов измерений применены методы теории планирования эксперимента. Суммарные погрешности определения параметров не превышали ST < 4,8%, Sq < 9,2%, 5v < 9,0% (термоанемометр), 5v < 7,9% (треки светящихся частиц), 5v < 6,1% (насадок Пито-Прандтля), 5т < 2,3%, 5т<1,0%- По результатам измерений (3-5 опытов) рассчитывались доверительные интервалы с доверительной вероятностью 0,95.

Глава 3. Глава «Физическое моделирование огненных смерчей» посвящена экспериментальному исследованию огненных смерчей в лабораторных условиях и сравнению полученных данных с натурным явлением. Дано описание физических процессов, происходящих в смерчах. Выбраны параметры, определяющие класс явления:

где Т0 - температура на оси симметрии смерча; V, - тангенциальная составляющая скорости; у2 - скорость газа в вертикальном направлении; г -радиус смерча; Н - высота смерча; р - плотность; ц - динамическая вязкость; X -коэффициент теплопроводности; ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении; <3 - объемное тепловыделение; g - ускорение силы тяжести.

Выяснены, какие критерии подобия появляются при изучении течений газа в огненных смерчах. Из краткого литературного обзора следует, что механизм формирования и функционирования вихрей типа торнадо и огненных смерчей схожи друг с другом и определяется действием четырех сил: архимедовой подъемной силой, силы тяжести, трения и силы, обеспечивающей закрутку вихря. Отношение этих сил дает три критерия подобия рассматриваемой задачи: критерий Грасгофа С}г, Прандтля Рг и вращательный критерий Р [8].

где § - ускорение свободного падения; р - коэффициент сжимаемости газа; Т0-температура на оси симметрии смерча; Те- температура окружающего воздуха; Ь - характерный масштаб (высота смерча); V - кинематическая вязкость, которая бралась из работы [18]; а - коэффициент температуропроводности; \г - скорость газа в вертикальном направлении; Г = 2пг\\ - циркуляция скорости; г - радиус колоннообразного огненного смерча; ут - тангенциальная составляющая скорости.

Для оценки мощности тепловыделения от продуктов сгорания введен критерий Остроградского, критерий, используемый для описания конвективных течений [24].

Т0, V,, у„ г, Н, р, ц, X, ср, <3, ^

(3)

(4)

Критерий Остроградского:

22 »0

где <3 - объемное тепловыделение, с! - диаметр смерча, Т0 — температура на оси смерча, X - коэффициент теплопроводности.

Исследованы изменения тепловых характеристик огненного смерча, приведены результаты измерений температур смерча в инфракрасной области излучения. Максимальная температура в смерче составляет 90(Н1200К. Результаты измерений бесконтактного "тепловизионного" метода не противоречат данным, полученных контактным методом, с помощью хромель-алюмелевых термопар.

На основании проведенных экспериментальных исследований при использовании методики [25, 26], были получены значения плотности теплового потока. По результатам измерений с целью проверки достоверности и апробации работы [10] плотность теплового потока рассчитывалась по формуле:

где (2+ = 46-106 Дж/кг - тепловой эффект реакции горения нефти, Б - площадь горящей поверхности, т0 - время горения, А - согласующий множитель.

Показано, что плотность тепловых потоков, генерируемых смерчами в лабораторных условиях, согласуется с расчетными данными.

В результате измерений скоростей газа установлено, что на высоте (8-10)Т0"2 м существует вихрь, в котором тангенциальная скорость приблизительно одинакова, линейная вертикальная составляющая скорости при этом возрастает. Этот факт объясняется притоком массы воздуха из окружающего смерч пространства, что подтверждено измерением радиальной скорости газа с помощью термоанемометра. Спиралевидные треки частиц, регистрируемые с помощью цифрового фотоаппарата, показывают характер течения газа в смерче - наличие тангенциальной и вертикальной составляющей скорости газа.

Выяснены влияние закрутки потока на скорость горения образцов лесных материалов, а также изменения угловой скорости вращения смерча в зависимости от высоты кромки подложки для горючих материалов.

Кроме того, экспериментально исследованы геометрические размеры вихря в видимом диапазоне спектра, его смещения. Устойчивый вихрь при

А-т-С?+ т0-8

(6)

открытом объеме возникал при ограниченной частоте вращения диска f = (1,1-И,3) Гц. Время устойчивости 8-12 с. Необходимо отметить, что присутствует сильная прецессия (смещение и медленное вращение смерча со скоростью 0,1-0,15 Гц) оси смерча с отклонением от центра на расстояние до нескольких диаметров.

В ряде случаев, при моделировании огненных смерчей в ограниченном объеме основанием 0,бмх0,6м и высотой 1,7 м, над вращающейся подложкой на высотах 0,4; 0,5 м располагалась неподвижная стальная круглая пластина диаметром 0,5 м и толщиной 2-Ю"3 м. В опытах температура этой пластины почти не менялась, что позволило моделировать действие слоя инверсии температуры атмосферы на огненный смерч.

Измерения показали, что в отсутствие препятствия сверху (стальной лист) огненный смерч в ограниченном пространстве формируется при скорости вращения диска ~ 3,8 Гц. Изменение на ~ ±0,2-^0,4 Гц приводит к срыву смерча и переходу к турбулентному горению.

Выяснено, что частота и диаметр смерча консервативны. При наличии препятствия сверху смерч становится более устойчивым, прецессия незначительна. С увеличением числа оборотов диаметр смерча увеличивается.

На основании полученных экспериментальных данных и уравнений (4) и (5), рассчитаны безразмерные критерии подобия (Таблица 1).

Таблица 1

Расчеты критериев подобия для огненного смерча

Тип установки Gr, 107 Рг F Os

Закрутка нижнего основания (подложки) 2,95 4,61 0,67 9,22

Закрутка сверху 3,27 4,2 0,74 7,96

Подложка в горизонтальном потоке 2,8 4,0 0,76 9,34

Близость значений критериев подобия

(Gr = idem, Pr = idem, F = idem, Os = idem ) для разных способов формирования смерча доказывает то, что формирование огненного смерча не зависит от способа закрутки газового потока и, что выбранные безразмерные величины являются критериями подобия решаемой задачи.

Глава 4. В главе «Физическое моделирование тепловых смерчей» рассматривается вопрос о формировании и поведении теплового смерча. Смерч возбуждался в открытом объеме закруткой нижнего основания. При моделировании теплового смерча варьировалась частота закрутки платформы f. Выяснена минимальная частота закрутки основания f. Смерч появлялся при f = 0,7 Гц, однако был неустойчив. При увеличении f до 1,8 Гц тепловой смерч становился неустойчивым и распадался. Наиболее оптимальная частота

вращения, при которой возникал устойчивый смерч, f = 1,3 Гц. Для визуализации смерча и определения его геометрических размеров в тепловой поток вводились частицы канифоли. Во всём диапазоне частоты вращения диаметр смерча менялся незначительно и составлял (1,5-КЗ,5)'10"2м у основания, тогда как высота смерча при увеличении угловой скорости вращения основания возрастала от 0,3 м до 0,7 м. Согласно работы [15], рассчитывался эффективный радиус rm для теплового смерча.

rm = 2,242-v/v/a > (?)

где v - кинематическая вязкость; а = const.

Анализ данных показал, что расчетные значения радиуса rm совпадают с экспериментальными г, и полученный в лабораторных условиях тепловой смерч качественно соотносится с моделью вихря Бюргерса [15].

В серии экспериментов при различных частотах вращения f контролировалась температура Т0 на оси теплового смерча (Таблица 2).

Таблица 2

Значения температуры на оси теплового смерча при разных частотах вращения

f,ru 0,7 1,3 1,8

Т„к 383 373 364

Т2,к 376 382 360

Тз,К 387 387 367

Т,к 382 381 364

Здесь Г- частота вращения смерча; ^ - температура на оси смерча; Т - среднее значение температур; пу - число параллельных опытов, 1=1-^.

С помощью методов теории планирования осуществлялась обработка результатов, построены матрицы планирования экспериментов. В качестве критерия оптимизации у была выбрана безразмерная комбинация температур (5), фактора х - частота вращения теплового смерча 1

где Т0 - температура на оси смерча; Тс = 298К - температура окружающей среды.

Исследовались линейная и нелинейная модели, связывающие критерий оптимизации с управляемым фактором:

у = Ь0 + Ь]Х' (9)

(10)

и выясняли, как они описывают зависимость температуры в тепловом смерче от частоты вращения £

Показано, что коэффициент а в уравнении (10) является некой функциональной зависимостью параметров среды. Варьирование частоты вращения и температуры на оси симметрии приводит к изменению геометрических размеров теплового смерча:

у(Н,г) = ЩТ).

(И)

Проводился сравнительный анализ экспериментальных данных с теоретическими. Рассматривалась полуэмпирическая формула зависимости угловой частоты вращения от геометрических характеристик смерча [16,27,28]:

{ = ■

2gH(Tr.

-V-

(12)

Здесь Г - частота вращения платформы, г и Н - радиус и высота колоннообразного огненного смерча; Т0 - температура на оси смерча; Те -температура окружающей среды; а» = 1,29-10"2 - эмпирическая константа соответствующая тепловому смерчу; а. = 0,599-10"2 - эмпирическая константа для огненного смерча.

Из выражения (9) видно, что с ростом высоты Н величина { при прочих условиях растет, а с ростом г - убывает, что согласуется с априорными физическими соображениями и опытными данными. Показано, что формула (9) качественно отражает механизм формирования и эволюции смерча и подтверждается экспериментально в данной работе.

Частота вращения теплового смерча находилась в достаточно узком диапазоне и картина течения газа в тепловом смерче носила турбулентный

характер, поэтому исследовалось влияние акустических возмущений на возникновение и эволюцию теплового смерча. Показаны зависимости температуры свободноконвективного течения и теплового смерча по высоте, при воздействии на них акустических колебаний. Диапазоны варьируемых частот составляли (10+5000) Гц. Доказано, что акустические возмущения приводят к искажениям термогазодинамической структуры течения газа в тепловом смерче. Существуют частоты акустического поля, при которых наблюдается явление разрушения теплового смерча. Полученные результаты сравнивались с данными на диаграмме устойчивости (Рисунок 3), полученной авторами работы [29] из анализа и решения уравнений Орра - Зоммерфельда для амплитудных функций возмущений [30] конвективной колонки в переменных:

0 = 4]^

1/4

(13)

ш =

32я-{-р-г-3 ц-в3

(14)

где р, |х — плотность и коэффициент динамической вязкости газа

1 -

0,1:

0,01

"П--------ч—

• 50 Нг ^ 100 Нг V 500 Нг Предел невязкой неустойчивости

Область неустойчивости

100

Рисунок 3 - Диаграмма устойчивости течения газа

Диаграмма устойчивости описывает движение возмущения с постоянной физической частотой { и позволяет определить изменение амплитуды возмущения при его движении вверх по потоку, т. е. при увеличении г (или в). Нейтральная кривая отделяет области демпфирования и усиления возмущений в потоке. При малых значениях в возмущения демпфируются, эта область

отделена от области усиливающихся возмущений нейтральной кривой. Частота возмущений характеризуется безразмерной величиной £5 .

Темные квадратные значки на рисунке 3 - данные из работы [29], полученные для конвективной струи с вибрационными возмущениями источника нагрева, светлые - данные, полученные в работе [21] для конвективной струи под влиянием акустических возмущений. Остальные значки (треугольные и круглые значки) - результаты данной работы.

Анализ результатов на рисунке 3 показал, что основное течение в конвективной струе усиливает акустические колебания, частота которых не превышает некоторого предельного значения, но все они, смещаясь вниз по потоку, в конце концов, затухают, что подтверждается непосредственными измерениями и не противоречит предложенному механизму взаимодействия акустических колебаний с параметрами газа.

Визуализация гидродинамической картины течения газа в огненном и тепловом смерчах, результаты измерения термогазодинамических параметров, скорости горения и их анализ позволили сформулировать механизм формирования и эволюции смерчей.

Показано, что значения угловой частоты вращения для огненного смерча находятся в узком диапазоне f~ (1,1+1,3) Гц и не зависят от способа получения конвективной колонки. При { > 1,35 Гц вихревые структуры распадались и исчезали, горение становилось неустойчивым. Остановка вращения основания подложки и лопастей вентилятора приводила практически к мгновенному исчезновению огненного смерча. Следовательно, гироскопические эффекты, сопутствующие формированию вихрей торнадо, в огненном смерче отсутствуют. Огненный смерч не занимал всей площади горения элементов, а появлялся либо в центре, либо сбоку. Варьирование диаметра емкости для горючих материалов подтвердило это. Спиралевидные треки светящихся частиц показали - наличие тангенциальной и вертикальной составляющей скорости газа. Закономерности возникновения и эволюции огненных смерчей при закрутке газового потока в аэродинамической трубе те же, что и в первых двух случаях. Скорость набегающего потока находилась также в довольно узких диапазонах уе= (0.9-ИЛ) м/с. Угол наклона подложки а к направлению вектора скорости

воздушного потока составлял а = (40 н- 50)° - При а <40°, уе <0,9 м/с огненный

смерч не возникал, при а >50°, уе >1,2 м/<с становился неустойчивым.

Высота пламени без закрутки потока составляла (3+5)-10~2 м (Рисунок 4). Изменением угловой частоты вращения подложки в пределах {- (1,1+1,3) Гц удалось получить огненные смерчи образованные от продуктов сгорания нефти, лесных горючих материалов, элементов моделей зданий. Высота пламени при этом резко возрастала до (20+80)-10"2 м (Рисунок 5). Температура горения в смерче на (100-150)К выше, чем в пламени (Рисунок 6). Повышение температуры горения в огненном смерче объясняется увеличением скорости диффузионного горения за счет увеличения скорости притока воздуха из

окружающего смерч пространства. Во всех точках поверхности наблюдались пульсации температуры в широком амплитудно-частотном спектре, что свидетельствует о развитом турбулентном характере течения._

Рисунок 4 - Фотография пламени при горении нефти со свободной поверхности

Рисунок 5 - Фотография огненного смерча ори горении нефти,

образованного закруткой сверху

ю и

Рисунок 6 - Осцил.вдраммы Записи температуры как функции времени (кривая I -температура в смерче; кривая 2 -температура при горении со свободной поверхности)

Доказано, что структура образования огненного смерча менее устойчива, чем теплового смерча, так как он реализуется в более узком диапазоне частоты вращения. При этом большую роль играют стабилизирующие и дестабилизирующие факторы. Формированию смерча предшествует появление конвективной колонки, образованной источником гепла. Ее интенсивность зависит от величины плотности теплового потока с|. Закрутка газового потока приводит к появлению центробежных сил, стремящихся увеличить ширину конвективной колонки, однако этого не происходит из-за уравновешивания действия центробежных сил силами, обусловленных градиентом давления, направленным в приосевую зону смерча. Влияние градиента давления определяется степенью нагретости газа в центре, уменьшением его плотности и в конечном итоге значением плотности тепловог о потока от источника,

В выводах сформулированы основные научные результаты, полученные при подготовке и написании настоящей диссертационной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. В лабораторных условиях тремя независимыми способами получены огненные и тепловые смерчи.

2. Используя методы теории подобия и размерностей и данные экспериментов, получены численные значения критериев подобия для процессов течения и теплообмена в огненных и тепловых смерчах.

3. Показано, что формирование и эволюция огненных смерчей не зависят от способа их получения и типа горючих материалов, а определяются значениями

плотности теплового потока, архимедовой подъемной силой, силой тяжести, трения и силой, обеспечивающей закрутку газа.

4. Показано, что процесс горения в огненном смерче носит диффузионный характер и зависит от скорости радиального притока окислителя из окружающего смерч пространства.

5. Характеристическими признаками возникновения огненного смерча являются резкий рост высоты факелы пламени и появление траекторий нагретых частиц продуктов сгорания, напоминающих винтовые линии с изменяющимся радиусом кривизны над очагом пожара.

6. Полученные обширные экспериментальные данные по термогазодинамическим параметрам позволили выяснить механизм процессов тепло- и массообмена в огненных и тепловых смерчах. Смерчи состоят из очага нагрева (горения), конвективной колонки и грибообразного облака нагретого газа в тепловом смерче и газообразных и дисперсных продуктов сгорания в огненном смерче.

7. В открытом пространстве огненные и тепловые смерчи существуют при угловой частоте вращения f = (1,1^1,3) Гц (огненный смерч) и f = (0,7-И ,8) Гц (тепловой смерч), что свидетельствует о неустойчивости процессов течения газа и теплообмена в них. Доказано, что относительно устойчивый огненный смерч формируется в ограниченном объеме при скорости вращения диска ~ 3.8 Гц.

8. Экспериментально обнаружено влияние акустических колебаний в диапазоне частот ? = (10+ 5000) Гц, фронт которых направлен

перпендикулярно к восходящему потоку. Найдены избирательные значения частот акустических колебаний, разрушающих тепловой смерч. Разрушение теплового смерча связано с резонансными явлениями взаимодействия акустических колебаний и турбулентных пульсаций газа.

9. Механизмы формирования и эволюции огненного и теплового смерчей имеют как общие свойства, так и отличия: одинаковая физическая природа; узкий диапазон частот вращения; формированию смерча предшествует появление конвективной колонки, интенсивность которой зависит от величины плотности теплового потока q; высокие градиенты давления, температуры и относительно низкие скорости течения газа.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. - М.: Наука, 1969. - 487 с.

2. Наливкин Д.В. Смерчи. - М: Наука, 1984. - 111 с.

3. Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. - М.: Наука. ГРФМЛ, 1989.- 133 с.

4. Кэрьер Г.Ф., Фендел Ф.Е., Фелдман П.С. Огненные смерчи // Теплопередача. - 1985. - Т.107, № 1. - С. 16-26.

5. Brunswing Н., Feuersturm über Hamburg, Motorbuch, Stuttgart, Germany. -1981.

6. Schubert R., «Examination of the Building Density and Fuel Loading in the Districts Eimsbüttel and Hammerbrook in the City of Hamburg as of July 1943» (translation), Project MU-6464, Stanford Research Institute. Menlo Park, Calif., 1969.

7. Ebert C.H.V., «The Meteorological Factor in the Hamburg Fire Storm», Weatherwise, 1963. Vol. 16.-pp. 70-75.

8. Интенсивные атмосферные вихри/Под ред. JI. Бенгтссона, Дж Лайтхилла. -М.: Мир, 1985.-368 с.

9. Snegirev A.Yu., Mardsen J.A., Fransis J., Makhviladze G.M. Numerical studies experimental observation of whirling flames // International Journal Heat and Mass Transfer 47. - 2004. - P. 2523-2539.

10.Гришин A.M. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. - Новосибирск: Наука, 1992. — 407 с.

М.Гришин A.M. Моделирование и прогнозирование катастроф. - Томск: Изд-во ТГУ, 2002. - 122 с.

М.Гришин A.M., Катаева Л.Ю. Математическая модель выброса жидкостей из прудов-отстойников под действием интенсивного атмосферного смерча и ее приложения. - Томск: Изд-во Томского университета, 1999. - 45 с.

\Ъ.Гришин A.M., Голованов А.Н., Суков Я.В. Физическое моделирование огненных смерчей. // Докл. АН. - 2004 - Т. 395, № 2. - С. 196-198.

Ы.Гришин A.M., Медюхина Е.В. Приближенное аналитическое решение задачи об огненном смерче // Сопряженные задачи мехаЕшки, информатики и экологии: Материалы Международной конференции. - Томск: Изд-во Том. унта, 2004. - С. 75.

15.Алексеенко C.B., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. - Новосибирск: ИТФ СО РАН, 2003. - 503 с.

16.Никулин В.В. Распад вертикального торнадоподобного вихря.//ПМТФ. -1992,-№4.-С. 42-47.

М.Никулин В.В. Аналог уравнений вихревой мелкой воды для полых и торнадоподобных вихрей. Высота стационарного торнадоподобного вихря // ПМТФ. - 1992. - № 2. - С. 45-52.

18.Самсонов В.П. Самопроизвольные вихревые структуры в пламени. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. - 124 с.

19.Бубнов Б.М. Термическая структура и турбулизация торнадоподобных вихрей от локализованных источников тепла над вращающимся диском // Известия АН. Физика атмосферы и океана. - 1997. - Т. 33, № 4. - С. 434-442.

Ю.Голованов А.Н. Об акустическом воздействии на параметры течения и теплообмен составной струи в набегающем потоке // ПМТФ. - 1989. - № 1. - С. 153-158.

21 .Голованов А.Н. Влияние акустических возмущений на свободно-конвективное течение // ПМТФ. - 2006. - Т. 47, № 5. - С. 27-35.

22-Сазанович В.М., Цвык Р.Ш. Экспериментальные исследования конвективной колонки над горящим лесным материалом // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15, № 4. - С. 375-382.

23.Гришин A.M., Долгов A.A., Рейно В.В., Цвык Р.Ш., Шерстобитов М.В. Тепловизионные исследования низовых лесных пожаров. // Материалы международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия. - Иркутск, 2001. - С. 63-66.

2А.Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Введение в теорию свободно-конвективного теплообмена. - Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1982. -224 с.

25.Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. - М.: Энергия, 1976. - 390

с.

26.Абалтусов В.Е., Голованов А.Н., Альперт С.И. Определение некоторых параметров низкотемпературной плазменной струи. / Газодинамика неравномерных процессов. - Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1981. - С. 3-5.

27.Гришин A.M. Аналитическое решение задачи о возникновении огненного смерча // Экологические приборы и системы. - 2006. -№ 6. - С. 50-51.

28.Гришин A.M., Петрин C.B., Петрина Л.С. Моделирование и прогноз катастроф. Часть 3. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. - 575 с.

29 .Гебхарт Б., Джалурия И., Махаджан Р., Саммакия Б. Свободно конвективные течения, тепло- и массообмен. - М.: Мир, 1991. - 678 с.

30 .Жигулев В.Н., Тумин A.M. Возникновение турбулентности. -Новосибирск: Наука, 1987.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гришин A.M., Голованов А.Н., Рейно В.В., Сазанович В.М., Строкатов A.A., Суков Я.В., Цвык Р.Ш., Шерстобитов М.В. Экспериментальное исследование огненных смерчей. // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Материалы международной конференции. - Томск: Изд-во Томского университета, 2004. - С. 67;

2. Grishin A.M., Golovanov A.N., Rejno V.V., Sazanovich V.M., Strokatov A.A., Tsvyk R.Sh. Experimental researches of fiery tomados // XI Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean opties. Atmospheric Physics" Symposium Proceedings. Tomsk, IOA SB RAS, 2004. - P. 87.

3. Гришин A.M., Голованов A.H., Колесников A.A., Строкатов A.A., Цвык Р.Ш. Экспериментальное исследование тепловых и огненных смерчей // Докл. АН. - 2005. - Т. 400, № 5. - С. 618-620.

4. Гришин A.M., Голованов А.Н., Рейно В.В., Сазанович В.М., Строкатов A.A., Суков Я.В., Цвык Р. Ш., Шерстобитов М. В. Лабораторные исследования огненных смерчей // XIII Симпозиум по горению и взрыву. - Черноголовка, 2005.-С. 75.

5. Гришин A.M., Голованов А.Н., Рейно В.В., Сазанович В.М., Строкатов A.A., Суков Я. В., Цвык Р.Ш., Шерстобитов М.В. Лабораторные исследования

огненных смерчей // XIII Симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка (7-11 февраля 2005 года). Электр, версия MADB-2-1-11072358-72. Ст. № 20 (Юс.).

6. Golovanov A.N., Strokatov А.А. Physical Modeling of Fire Tornados // 5th International Seminar on Flame Structure. - Novosibirsk, 2005. - P. 73.

7. Голованов A.H., Строкатов A.A., Суков Я.В. Экспериментальное исследование огненных смерчей // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XV Школы - семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - Т. 1. - С. 315-318.

8. Строкатов А.А. Экспериментальное исследование огненных смерчей // IX Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование", 2005. - Т.6, Ч.З. - С. 192-194.

9. Гришин A.M., Голованов А.Н., Строкатов А.А., Руди Ю.А. Механизм формирования огненного смерча // Материалы 6-ой Международной конференции "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия". - Томск: Изд. Томского университета, 2005. - С.37-38.

10.Строкатоа А.А., Руди Ю.А. Механизм формирования огненного смерча // Снежинск и наука - 2006. Трансфер технологии, инновации, современные проблемы атомной отрасли: Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции. - Снежинск Челябинской области: Издательство СГФТА, 2006. - С. 196.

МТришин A.M., Голованов А.Н., Цвык Р.Ш., Строкатов А.А., Руди Ю.А. К механизму формирования и эволюции огненного смерча // Международная конференция «Пятые Окуневские чтения». - СПб., 2006. - С. 61-62.

И.Строкатов А.А. Физическое моделирование огненных смерчей П Изв. Вузов. Физика. - 2006. - № 3. - С. 254-255.

\Ъ.Гришт A.M., Сазанов!« В.М, Строкатов А.А., Цвык Р.Ш. Исследования распространения лазерного излучения через высокотемпературную закрученную струю // Оптика атмосферы и океана. - 2006. - Т. 19, № 12. - С. 1042-1046

14.Grishin A.M., Golovanov A.N., Rejno V.V., Sazanovich V.M., Strokatov A.A., Tsvyk R.Sh., Sherstobitov M.V. Experimental Study of Swirling Fire Jets // XIII Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" Symposium Proceedings. Tomsk, IAO SB RAS, 2006. - P.91.

\5.Grishin A.M., Sazanovich V.M., Strokatov A.A., Tsvyk R.Sh. Experimental Study of Laser Radiation Propagation through the High-Temperature Swirling Jet // XIII Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" Symposium Proceedings. Tomsk, IAO SB RAS, 2006. -P.92.

16.A.M. Гришин, A.H. Голованов, B.B. Рейно, В.М. Сазанович, А.А. Строкатов, Р.Ш. Цвык, М.В. Шерстобитов. Экспериментальные исследования огненных смерчей. // Оптика атмосферы и океана. - 2007. - Т. 20, № 3. - с. 237242.

Отпечатано на участке оперативной полиграфии редакционно-издателъского отдела ТГУ Лицензия ПД № 00208 от 20 декабря 1999 г.

Заказ № 82 от «¿2.» 03 2007 г. Тираж *ОР экз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Строкатов, Антон Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Теории возникновения смерчей.

1.2. Условия образование торнадо, его развитие и строение.

1.3. Отечественные и зарубежные исследования, посвященные проблеме смерчей.

1.4. Объект исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.

2.1. Описание экспериментальных установок.

2.2. Методики определения термогазодинамических параметров в смерчах.

2.3. Методика определения яркостной температуры в огненном смерче с помощью тепловизора.

2.4. Оптические методы определения влияния высокотемпературной среды на распространение излучения.

2.5. Методы обработки результатов измерений.

3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОГНЕННЫХ СМЕРЧЕЙ.

3.1. Выбор определяющих процесс параметров и критерии подобия решаемой задачи.

3.2. Физическое моделирование огненных смерчей в лабораторных условиях.

3.3. Термогазодинамические характеристики огненного смерча. Температура на оси симметрии и величина тепловых потоков.

3.4. Измерения параметров смерча в инфракрасной области излучения

3.5. Измерения геометрических размеров смерча в видимом диапазоне

4. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СМЕРЧЕЙ.

4.1. Исследования тепловых смерчей в лабораторных условиях. Результаты экспериментов и их обработка.

4.2. Исследование влияния акустических возмущений на возникновение и эволюцию теплового смерча.

4.3. Сравнение и анализ механизмов возникновения и распада огненных и тепловых смерчей.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по механике, на тему "Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей"

Огненные смерчи есть разновидность атмосферных смерчей и являются примером экологических природных катастроф, приносящих огромные разрушения [1-3]. Как показывают наблюдения за природными огненными смерчами, возникающими при крупных лесных пожарах, массовых пожарах в городах, материнское облако образуется в результате мощной дымовой конвективной колонки, сопровождаемой кучевыми облаками. Это облако попадает, например, в область между циклонным и антициклонным вихрями, которые сообщают ему вращательный момент инерции. Вращающееся материнское облако подпитывается энергией завихренной конвективной колонки массового пожара и порождает воронку и атмосферный огненный смерч. На оси симметрии вихря вследствие конвективного теплового потока создается область пониженного давления из-за более высокой температуры [4]. Парадокс существования смерча заключается в том, что он представляет собой устойчивую с точки зрения гидродинамики, структуру. Хотя закрутка газа или жидкости должна приводить к уширению струи, увеличению ее ядра, и уменьшению дальнобойности из-за центробежных сил, к турбулизации течения [5]. Размеры материнского облака достигают 200-300 м в диаметре и до 1200 м высоты. Высота огненного смерча может достигать 10 км.

Лабораторными исследованиями смерчей-вихрей в газе и в жидкости занимаются давно, как в нашей стране, так и за рубежом. Однако самые интенсивные и локализованные атмосферные вихри торнадо являются одновременно самыми неизученными. В литературе мало работ, посвященных экспериментальному исследованию огненных смерчей.

Цель работы - проведение экспериментального исследования огненных и тепловых смерчей в лабораторных условиях, сравнение полученной физической модели с натурными явлениями.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

3. Сравнительный анализ огненных смерчей, полученных при сгорании разных типов горючих материалов.

4. Выяснение механизма формирования, функционирования и устойчивости смерчей.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

3. Рассчитаны и определены критерии возникновения и эволюции огненных и тепловых смерчей.

4. Исследованы восприимчивости смерчей к малым энергетическим возмущениям - акустическим колебаниям.

На защиту выносятся следующее:

3. Механизм процесса формирования и устойчивости смерчей.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что в диссертационной работе, проведен комплекс экспериментальных исследований огненных и тепловых смерчей, часто возникающих в приземном слое атмосферы, при различных природных (лесные и степные пожары) и техногенных (горение нефти, разлитой по различным типам подстилающей поверхности и горючего газа, при разрыве нефте- и газопроводов) катастрофах с учетом взаимосвязи движения горючих жидкостей и газов и их горения с образованием огненного столба, перемещающегося по поверхности горючего материала. Наконец, в результате экспериментальных исследований смерчей построена физическая модель процесса и выяснены механизмы формирования и устойчивости вихрей этого типа, что позволит предложить новые способы борьбы с ними.

Достоверность экспериментальных результатов работы обеспечена использованием различных независимых методик определения термогазодинамических параметров в смерчах, статистической обработки результатов измерений и их сравнением с некоторыми экспериментальными и теоретическими данными российских и зарубежных авторов, опубликованными в научной литературе и в том числе данными результатов наблюдений за реальными массовыми пожарами в Гамбурге [6].

Теоретическая и практическая значимость, а также перспективность работы получили признание в России как имеющие важное значение в соответствующей области знаний и подтверждены финансовой поддержкой в гранте 130327 в ведомственной программе Министерства образования и науки РФ Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмма по разделу 3.3 «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов», проект «Экспериментальное исследование огненных смерчей», 2005 г., в гранте РФФИ 05-01-00201-а «Математическое моделирование возникновения и распространения огненных смерчей», 20052007 гг., и дипломом в «Всероссийском открытом конкурсе на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам студентов высших учебных заведений Российской Федерации» по разделу «Гражданская оборона. Безопасность в чрезвычайных ситуациях», 2004 г.

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробировались на 10 международных и региональных конференциях, в том числе Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004), XI Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean optics. Atmspheric Physics" (Томск, 2004), XIII Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005), 5th International Seminar on Flame Structure (Новосибирск, 2005), Международном научно-техническом симпозиуме "Образование через науку" (Калуга, 2005), IX Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и образование" (Томск, 2005), Международной конференции "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (Иркутск, 2005), Международной научно-практической конференции "Снежинск и наука - 2006" (Снежинск, 2006), Международной конференции «Пятые Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2006). XIII Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" (Томск, 2006).

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в центральной печати в журналах, рекомендованных ВАК.

Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики механико-математического факультета Томского государственного университета и в лаборатории распространения волн ИОА СО РАН.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 95 наименований на русском и иностранных языках. Работа содержит 132 страницы текста, 40 рисунков и 20 таблиц.

Заключение диссертации по теме "Механика жидкости, газа и плазмы"

122 ВЫВОДЫ

1.В лабораторных условиях тремя независимыми способами получены огненные и тепловые смерчи.

3. Показано, что формирование и эволюция огненных смерчей не зависят от способа их получения и типа горючих материалов, а определяются значениями плотности теплового потока, архимедовой подъемной силой, силой тяжести, трения и силой, обеспечивающей закрутку газа.

7. В открытом пространстве огненные и тепловые смерчи существуют при угловой частоте вращения f = (1,1-4,3) Гц (огненный смерч) и f = (0,7-Н,8) Гц (тепловой смерч), что свидетельствует о неустойчивости процессов течения газа и теплообмена в них. Доказано, что относительно устойчивый огненный смерч формируется в ограниченном объеме при скорости вращения диска ~ 3,8 Гц.

8. Экспериментально обнаружено влияние акустических колебаний в диапазоне частот f = (10 + 5000) Гц, фронт которых направлен перпендикулярно к восходящему потоку. Найдены избирательные значения частот акустических колебаний, разрушающих тепловой смерч. Разрушение теплового смерча связано с резонансными явлениями взаимодействия акустических колебаний и турбулентных пульсаций газа.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Строкатов, Антон Анатольевич, Томск

1. Наливкин Д.В. Ураганы, бури, смерчи. -М.: Наука, 1969.-487 с.

2. Наливкин Д.В. Смерчи. М.: Наука, 1984. - 111 с.

3. Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. М.: Наука. ГРФМЛ, 1989.- 133 с.

4. Гришин A.M., Катаева Л.Ю. Математическая модель выброса жидкостей из прудов-отстойников под действием интенсивного атмосферного смерча и ее приложения. Томск: Изд-во Томского университета, 1999.-45 с.

5. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1960. - 715с.

6. Кэръер Г.Ф., Фендел Ф.Е., Фелдман П.С. Огненные смерчи // Теплопередача.- 1985.-Т. 107, № 1.-С. 16-26.

7. Интенсивные атмосферные вихри / Под ред. Л. Бенгтссона, Дж. Лайтхилла-М.: Мир, 1985.-368 с.

8. Гришин A.M. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992. - 407 с.

9. ПрохЛ.З. Смерчи и шквалы. М.: Знание, 1981. - 48 с.

10. Дюбуа А.Ф. Бури и смерчи// Природа. М.: София, 1986. - №7. -С.80-84.

11. Гришин A.M. Моделирование и прогнозирование катастроф. -Томск: Изд-во ТГУ, 2002. 122 с.

12. Будулина JI.X., Прох А.И. Смерчи и шквалы умеренных широт. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-31 с.

13. Кузневский В.П. Аэродинамика в природе и технике. М.: Просвещение, 1985.

14. Алексеенко С.В., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. Новосибирск: ИТФ СО РАН, 2003. - 503 с.

15. Никулин В.В. Распад вертикального торнадоподобного вихря. // ПМТФ. 1992. - № 4. - С. 42-47.

16. Никулин В.В. Аналог уравнений вихревой мелкой воды для полых и торнадоподобных вихрей. Высота стационарного торнадоподобного вихря // ПМТФ. 1992. - № 2. - С. 45-52.

17. Самсонов ВЛ. Самопроизвольные вихревые структуры в пламени. -Томск: Изд-во Том. ун-та. 2003. - 124 с.

18. Snegirev A.Yu., Mardsen J.A., Fransis J., Makhviladze G.M. Numerical studies experimental observation of whirling flames // International Journal Heat and Mass Transfer 47. 2004 - P. 2523-2539.

19. Бубнов Б.М. Термическая структура и турбулизация торнадоподобных вихрей от локализованных источников тепла над вращающимся диском // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1997. -Т. 33,№4.-С. 434-442.

20. Lamb Н. Hydrodynamics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1932.

21. Saffman P.G., Baker G.R. Vortex interactions // Annu. Rev. Fluid Mech. 1979.-Vol. 11.-P. 95-122.

22. Hopfinger E.J., van Heijst G.J.F. Vortices in rotating fluids // Annu. Rev. Fluid Mech. 1993. - Vol. 25. - P. 241-289.

23. Burgers J.M. Application of model system to illustrate some points of the statistical theory of free turbulence // Proc. Acad. Sci. Amsterdam. - 1940. - Vol. l.-P. 2-12.

24. Burgers J.M. A mathematical model illustrating the theory of turbulence //Adv. Appl.Mech.-1948.-Vol. l.-P. 197-199.

25. Rott N. On the viscous core of a line vortex // Z. Angew. Math. Phys. -1958.-Vol. 9.-P. 543-553.

26. Donaldson C.P., Sullivan R.D. Behaviour of solutions of the Navier-Stokes equations for a complete class of free-dimensional viscous vortices // Proc. Of the Heat Transfer Fluid Mechanics Conf. Stanford, 1960. - P. 16-30.

27. Sullivan R.D. A two-cell vortex solution of the Navier-Stokes equations // J. Aerosp. Sci. 1959. - Vol. 26, № 11. - P. 767.

28. Физические измерения в газовой динамике и при горении. М.: ИЛ, 1957.-484 с.

29. Данишевский С.К., Сведе-Швец И.И. Высокотемпературные термопары.-М.: Металлургия, 1977.-231 с.

30. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -М.: Энергия, 1978.

31. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976.-390 с.

32. Абалтусов В.Е., Голованов А.Н., Альперт С.И. Определение некоторых параметров низкотемпературной плазменной струи. / Газодинамика неравномерных процессов. Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1981.-С. 3-5.

33. Голованов А.Н. Лабораторные работы по аэротермохимии. Методические указания. Изд-во Томского гос. ун-та, 1990. - 21 с.

34. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 270 с.

35. Бойко В.М., Климкин В.Ф./ Оптические методы исследований газовых потоков. Минск. - 1979. - С. 112-113.

36. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа Учеб. для вузов - Изд. 6-е, перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 840 с.

37. Голованов А.Н. Об акустическом воздействии на параметры течения и теплообмен составной струи в набегающем потоке // ПМТФ. 1989. - № 1. -С. 153-158.

38. Голованов А.Н. Влияние акустических возмущений на свободно-конвективное течение // ПМТФ. 2006. - Т. 47, № 5. - С. 27-35.

39. Остова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М.: Энергия, 1979. - 320 с.

40. Доботкин А.А., Исаков А.В., Петренко А.Г., Рейно В.В., Цвык Р.Ш. "Module for recording and inputing the informahion from a termovision to a computer" .Труды SPIE. 1993. - T. 2106. - C. 74-80.

41. Гостинцев Ю.А., Рыжов A.M. Численное моделирование динамики пламени, огненных вихрей и штормов при пожарах на открытом пространстве // Механика жидкости и газа. 1994. - №6. - С. 52-61.

42. Зуев В.Е., Банах В.А., Покасов В.В. Оптика турбулентной атмосферы. Л.:Гидрометеоиздат, 1988. - 272 с.

43. Сазанович В.М., Цвык Р.Ш. Экспериментальные исследования конвективной колонки над горящим лесным материалом // Оптика атмосферы и океана. 2002. - Т. 15, № 4. - С. 375-382.

44. Гришин A.M., Сазанович В.М., Строкатов А.А., Цвык Р.Ш. Исследования распространения лазерного излучения через высокотемпературную закрученную струю. // Оптика атмосферы и океана. -2006.-Т. 19, № 12.-С. 1024-1046.

45. Grishin A.M., Sazanovich V.M., Strokatov A.A., Tsvyk R.Sh. Experimental Study of Laser Radiation Propagation through the High-Temperature Swirling Jet // Proceedings of SPIE. 2006. - T. 6522, N 65220W.

46. ХудсонД. Статистика для физиков. М.: Мир, 1970. - 296 с.

47. Математическая теория планирования эксперимента / Под. ред. С.М. Ермакова. -М: Наука, 1983.-391 с.

48. Фиалко М.Б., Кумок В.Н. Лекции по планированию эксперимента. -Томск: Изд-во Томского ун-та, 1977. 132 с.

49. Бондарь А.Г., Статюха Г.А. Планирование эксперимента в химической технологии. Киев: Вища школа, 1976. - 183 с.

50. Хартман К., Лецкий Э. и др. Планирование экспериментов в исследовании технологических процессов. М.: Мир, 1977. - 552 с.

51. Шенк Г. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. 382 с.

52. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1972.-440 с.

53. Гухман А.А. Введение в теорию подобия М.: Высшая школа, 1963. - 225 с.

54. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1967. - 304 с.

55. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. -600 с.

56. Алексеев Б.В., Гришин A.M. Курс лекций по аэротермохимии. -Томск: Изд-во Томского ун-та, 1979. 330 с.

57. Лойцянскый Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. -840 с.

58. Чертов А.Г. Международная система единиц измерений. М.: Изд-во Высшая школа, 1967. - 287 с.

59. Чертов А.Г. Физические величины. М.: Изд-во Высшая школа, 1990.-334 с.

60. Кутателадзе С. С. Анализ подобия и физические модели. -Новосибирск: Наука, 1986.-295 с.

61. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. М.: Машгиз, 1952.-231 с.

62. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Введение в теорию свободно-конвективного теплообмена. J1.: Изд-во Ленинградского университета. -1982.-224 с.

63. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М: Наука, 1974. - 711 с.

64. Микалаюнас М.М. Смерч небывалой силы // Человек и стихия-84, Гидрометеорологический сборник, 1984. С.53-55.

65. Кушин В.В. Смерч. М.: Энергоатомиздат, 1993. - 127 с.

66. Строкатов А.А. Физическое моделирование огненных смерчей // Изв. Вузов. Физика. 2006. - № 3. - С. 254-255.

67. Golovanov A.N., Strokatov А.А. Physical Modeling of Fire Tornados // 5th International Seminar on Flame Structure. Novosibirsk, 2005. P. 73.

68. Сноу Д. Т. Торнадо // В мире науки, 1984. №6. - С.44-54.

69. Brunswing Н., Feuersturm uber Hamburg, Motorbuch, Stuttgart, Germany. -1981.

70. Schubert R., «Examination of the Building Density and Fuel Loading in the Districts Eimsbuttel and Hammerbrook in the City of Hamburg as of July 1943» (translation), Project MU-6464, Stanford Research Institute. Menlo Park, Calif., 1969.

71. Ebert C.H.V., «The Meteorological Factor in the Hamburg Fire Storm», Weatherwise, 1963. Vol. 16. pp. 70-75.

72. Glasstone S., Dolan P.J., eds., The Effect of Nuclear Weapons (3rd ed.), U. S. department of Defense and U. S. Department of Energy, Washington, D.S. -1977.

73. Гостинцев Ю.А., Рыжов A.M. Численное моделирование динамики пламени, огненных вихрей и штормов при пожарах на открытом пространстве // Механика жидкости и газа, 1994. №6. - С. 52-61.

74. Гришин A.M., Голованов А.Н., Суков Я.В. Физическое моделирование огненных смерчей. // Докл. АН. 2004. - Т. 395, № 2. - С. 196-198.

75. Гришин A.M., Голованов А.Н., Колесников А.А., Строкатов А.А., Цвык Р.Ш. Экспериментальное исследование тепловых и огненных смерчей // Докл. АН. 2005. - Т. 400, № 5. - С. 618-620.

76. Гришин A.M., Голованов А.Н., Рейно В.В., Сазанович В.М., Строкатов А.А., Цвык Р.Ш., Шерстобитов М.В. Экспериментальные исследования огненных смерчей. // Оптика атмосферы и океана. 2007. - Т. 20., № 3. - С. 237-242.

77. Grishin A.M., Golovanov A.N., Rejno V.V., Sazanovich V.M., Strokatov A.A., Tsvyk R.Sh., Sherstobitov M.V. Experimental Study Swirliing Fire Jets // Proceedings of SPIE. 2006. - T. 6522, N 65220V.

78. Гришин A.M. Аналитическое решение задачи о возникновении огненного смерча // Экологические приборы и системы. 2006. - № 6. - С. 50-51.

79. Гришин A.M., Петрин С.В., Петрина JI.C. Моделирование и прогноз катастроф. Часть 3. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. - 575 с.

80. Гебхарт Б., Джалурия И., Махаджан Р., Саммакия Б. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен. М.: Мир, 1991. - 678 с.

81. Жигулев В.Н., Тумин A.M. Возникновение турбулентности. -Новосибирск: Наука, 1987.

82. Эскуднер МЛ. Излом вихря и критерии возникновения излома / Интенсивные атмосферные вихри. Под ред. JI. Бенгтссона, Дж. Лайтхилла -М.: Мир.-С. 285-297.

83. Гришин A.M., Голованов А.Н., Рейно В.В., Сазанович В.М., Строкатов А.А., Суков Я. В., Цвык Р.Ш., Шерстобитов М.В. Лабораторные исследования огненных смерчей // XIII Симпозиум по горению и взрыву, г. Черноголовка, 2005. С. 75.

84. Grishin A.M., Golovanov A.N., Strokatov A.A., Rejno V.V., Sazanovich V.M., Strokatov A.A., Tsvyk R.Sh. Experimental researches of fiery tornados // XI

85. Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean optics. Atmospheric Physics" Symposium Proceedings. Tomsk, IOA SB RAS, 2004. P. 87.

86. Строкатов А.А. Экспериментальное исследование огненных смерчей // IX Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых " Наука и образование 2005. Т.6, Ч.З. - С. 192-194.

87. Гришин A.M., Медюхина Е.В. Приближенное аналитическое решение задачи об огненном смерче // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Материалы Международной конференции. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. С. 75.