Гидродинамика конвективных и вращательных движений в условиях лучистого нагрева

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................... 4
ГЛАВА 1 Роль гидродинамической неустойчивости и нелинейных взаимодействий при энергообмене в конвективных и вращающихся потоках
1.1. Проблема преобразования солнечной энергии атмосферными течениями........................................................... 18
1.2. Гидродинамическая энергетика природных и искусственных вихрей............................................................. 24
1.3. Общие свойства вращающихся течений со сдвигом скорости 37
1.4. Особенность гидродинамических движений при фотосинтезе водных объектов.................................................... 42
1.5. Методология физическое моделирования конвективных и вращательных потоков в условиях лучистого нагрева.......... 46
ГЛАВА 2 Экспериментальные установки и измерительные системы
2. Г Модели конвективных и вращательных движений жидкостей и
газов....................................................... 53
2.2. Генераторы вихрей и условия экспериментов................... 58
2.3. Характеристика измерительных средств........................ 73
2.4. Особенности методики модельных исследований конвективных и закрученных около вертикальной оси потоков............ 79
2.5. Параметры подобия конвективно-вихревых преобразователей энергии............................................................. 86
ГЛАВА 3 Процессы ту рбулентного переноса импульса и энергии в закрученных потоках с вынужденной и свободной конвекцией
3.1. Структура вынужденных вихрей со сдвигом скорости............ 96
3.2. Энергия и импульс вихрей с вынужденной конвекцией........... 105
3
3.3. Структурная перестройка свободно-конвективных вихревых течений с горизонтальной температурной инверсией пограничного слоя. 123
3.4. Перенос энергии и импульса в свободно-конвективных вихрях 132
3.5. Критериальные соотношения для конвекгивно-вихревого преобразования энергии ................................................. 145
ГЛАВА 4 Лабораторное моделирование нелинейных режимов формирования вихревых и волновых структур во вращающихся потоках с приземным сдвигом скорости
4.1. Преобразование энергии при дифференциальном циклоническом вращении без конвекции............................................ 150
4.2. Генерация вихревых структур антициклоническим сдвиговым вращением.......................................................... 172
4.3. Механизмы переноса энергии в дифференциально вращающейся жидкости.......................................................... 181
4.4. Самоорганизация вращательных движений........................ 186
4.5. Резонанс и экранировка спиральных волновых возмущений........ 196
ГЛАВА 5 Г ид родина мические преобразователи солнечной энергии
5.1. Волновые движения в морских плавучих энергосистемах.......... 208
5.2. Теоретические оценки конвективно-вихревых преобразователей энергии лучистого нагрева......................................... 229
5.3. Интенсификация процессов вихревого преобразования тепловой энергии........................................................... 243
5.4. Экспериментальные исследования конвективно закрученных течений, генерируемых лучистой энергией............................... 252
5.5. Энергетика тропического циклогенеза.......................... 271
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ....................... 280
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................ 283
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность фундаментальных исследований гидродинамических движений, обусловленных нагревом среды инфракрасной составляющей электромагнитного излучения, определяется широким использованием явлений переноса вещества, импульса и энергии конвективными и вращающимися течениями в технологических процессах нефтяной, газовой промышленности, энергетики и других отраслях техники. Технологические процессы, которые происходят в энергоносителях, сопровождаются электромагнитным, тепловым, химическим, диффузионным воздействием на гидродинамические движения в потоках различного типа при турбулентных режимах течения сред, находящихся в разных агрегатных и фазовых состояниях. Основная проблема, которая возникает при оптимизации процессов переноса конвективными и вращательными движениями, развивающимися в условиях внешних энергетических воздействий, обусловлена необходимостью решения задачи управления интенсивностью течений [Губайдуллин,1998].Для этого требуется знание механизмов, которые определяют взаимодействие гидродинамических движений различного масштаба между собой и их взаимосвязь с молекулярными движениями, особенно при неравновесности и неустойчивости течений. Использование потоков энергии лучистого излучения, инициирующих гидродинамические течения, существенно расширяет технологические возможности гидродинамики энергетических процессов, совмещенных с теплообменными и инсоляционными явлениями. Аккумуляция и преобразование энергии лучистого излучения гидродинамическими потоками в форму, пригодную для утилизации, связаны с созданием высокоинтенсивных режимов течения, которые находят широкое применение в большом числе прикладных задач механики жидкости и газа [Нигматулин, 1987; Teleyarkkan, West, Cho,Lahey,Nigmatulin,Block,2002].
Классический подход к решению задачи интенсификации потоков, возбуждаемых лучистым нагревом среды, предусматривает рассмотрение динамических
5
процессов в системе «потоки энергии — течение» пространственно-временная структура которых определяется параметрами источников энергии и харакгери-стиками среды. Исследуемая система, при этом, представляется как единое целое, в которой гидродинамические и молекулярные движения совершаются независимо друг от друга. Такой подход справедлив при достаточно малых возмущениях течений, слабой неравновесности процессов переноса, постоянном во времени и пространстве, слабоинтенсивном воздействии на поток источника энергии.
К настоящему времени обнаружено большое количество явлений, в которых пространственно-временная структура течений не соответствует структуре источников энергии и определяется внутренними динамическими процессами в потоках. Анализ таких явлений требует дальнейшего развития представлений, основанных на общих принципах теории гидродинамической неустойчивости с нелинейными взаимодействиями между турбулентными и молекулярными движениями [Ильгамов, 1991]. Решению этих актуальных вопросов механики жидкости и газа и посвящено настоящее диссертационное исследование.
Общая постановка задачи следующая. Слой жидкости в поле сил тяжести, ограниченный поверхностями, на границе подвергается пространственно распределенному нагреву инфракрасной составляющей электромагнитного излучения. Жидкость под воздействием притока энергии совершает осесимметричное конвективное течение с вращением вокруг вертикали. Требуется при заданных значениях параметров источника энергии: определить зависимость от времени и координат термических и гидродинамических характеристик потока при постоянном притоке энергии и возмущениях потока конечной амплитуды. В такой постановке в иерархии пространственно-временных структур, развивающихся в потоках, особую роль приобретает нелинейный механизм взаимодействий молярных и молекулярных движений различного масштаба. В результате которого возможно как стохастиза-ция структур, так и их синхронизация, приводящая соответственно к усилению
6
или ослаблению диссипативных процессов. Неопределенность эволюции системы приводит к необходимости найти ответ на два вопроса. Первый из них предусматривает установление механизмов нелинейного взаимодействия молярных и молекулярных движений. Второй состоит в поиске управляющих параметров, регулирующих развитие упорядоченности в структуре гидродинамических полей.
Решение первого вопроса, по существу говоря, возможно только в рамках физического моделирования с помощью альтернативных физико- гидромеханических моделей, гибко настраиваемых на реально изменяющиеся условия. К необходимости изучение экспериментальных моделей, имитирующих в реальных физических условиях нелинейную динамику взаимодействия молярных и молекулярных движений, приводит сложность математического описания механизмов, ответственных за концентрацию энергии в турбулентных потоках. Эксперимек гальное изучение моделей, имитирующих нелинейную динамику турбулентных движений, относится к методам, которые максимально приближены к реальным физическим условиям. И потому они в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, необходимым для изучения механизмов энергопереноса в неустойчивых и неравновесных течениях жидкостей и газов, открытых для поступления внешней энергии. Целесообразность применения методов физического моделирования для изучения механизмов преобразования солнечной энергии конвективными и вращательными движениями жидкостей и газов, к тому же, дополнительно оправдывается возможностью получения решения поставленных задач без привлечения крупномасштабных установок и высокоскоростной вычислительной техники. Для понимания особенностей процессов энергопереноса в неустойчивых и неравновесных течениях жидкостей и газов, открытых для поступления внешней энергии, такой подход является оправданным идеологически и методологически.
Второй вопрос, связанный с определением принципов управления самоорганизацией гидродинамических движений, особенно актуальный для разработки
7
теории турбулентности, не получил удовлетворительного решения. Вышеизложенное подтверждает актуальность исследований механизмов газогидродинамического перераспределения потенциальной энергии конвективными и вращательными турбулентными движениями жидкостей и газов в условиях лучистого нагрева с учетом нелинейных эффектов, проявляющихся при неравновесном распределении термогидродинамических характеристик неустойчивых течений. С учетом сказанного и на основании проведенного анализа работ в области исследований процессов газогидродинамического преобразования энергии лучистого излучения целью настоящей работы являлось:
- развитие метода физического моделирования как инструментального средства исследования нелинейной гидродинамики конвективных и вращательных движений жидкости и газа;
- разработка принципов интенсификации гидродинамического преобразования энергии внешних источников с использованием нелинейных механизмов турбулентного переноса импульса;
- приложение результатов исследований к расчет)' гидродинамических систем эффективной концентрации лучистой энергии.
Научная новизна. Разработан комплекс гидродинамических моделей, имитирующих преобразование энергии лучистого нагрева жидких и газообразных сред конвективно-вихревыми движениями при инверсном пространственном распределении термо- и гидродинамических параметров среды и турбулизации течений. Впервые на физико-гидромеханических моделях исследованы механизмы нелинейного преобразования энергии конвективными и вихревыми потоками со сдвигами скорости, температуры и вращающимися граничными препятствиями. Обнаружены новые физические явления, сопровождающие переход кинетической энергии гидродинамических движений из средней в пульсационную и обратно, которые имеют колебательный и резонансный характер. Получены аналитические кри-
8
терии, определяющие связь турбулизации течений с интенсификацией конвективно- вихревых потоков, вращающихся вокруг вертикальной оси. Сформулирована концепция управляющего воздействия на преобразование энергии, которая поступает в поток из окружающей его среды. Она основана на использовании положительной обратной связи турбулентных движений при неустойчивости течений с инверсиями в градиентах термических и динамических характеристик на границах потоков. Обоснована возможность практически значимого увеличения эффектив-ности преобразования энергии вихревыми движениями, формирующимися мри концентрации инфракрасной составляющей лучистого излучения. Решена задача оптимального регулирования гидродинамических волновых движений в плавучих блоках энергосистем, в которых фотосинтезирующие водные агенты осуществляют аккумуляцию солнечной энергии в биомассу с последующей переработкой в углеводородное топливо. Разработана конструкция морских фотосинтетических блоков, способных выдерживать без разрушения и нарушения функционального назначения волновые и ветровые нагрузки предураганной интенсивности. Впервые создана и испытана пилотная экспериментальная модель гидродинамических узлов водорослевого биоконвертора солнечной энергии морского базирования.
Практическая значимость результатов работы. Расширенное представление о нелинейных процессах турбулентного переноса импульса рекомендуется для использования в теоретических и прикладных исследованиях в области энергетики газодинамических течений многофазных сред и возобновляемых источников энергии. Полученные результаты могут найти применение при анализе энергетических характеристик вихревых образований, разработке методики краткосрочного прогноза развития интенсивных атмосферных вихрей. Результаты исследовании, включенные в данную работу, были использованы при создании гидродинамического модуля морского базирования энергосистемы "Биосоляр". Материалы диссертации послужили основой спецкурса лекций физического факультета МГУ
9
"Турбулентные течения" и курса лекций «Гидромеханика» Московской государственной академии водного транспорта опубликованного в виде учебного пособия [Соловьев, 1998].
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ. Результаты работы представлялись на 30 отечественных и международных конференциях. В том числе, на 4-м Всесоюзном съезде механиков (Ташкент, 1978), 3,4,5 Международных симпозиумах по тропической метеорологии (Ялта, 1985;Гавана 1987,Обнинск,1991), 3-м съезде Советских океанологов (Ленинград, 1987), 1-й Всесоюзной конференции "Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана» (Калининград, 1983) 2-м Всесоюзном симпозиуме" Механизмы генерации мелкомасштабной турбулентности в океане" (Калининград, 1985), Всесоюзной школе-семинаре "Методы гидрофизических исследований" (Солнечногорск, 1986), 3,4,5,6,7,8 Столетовских чтениях (Владимир,
1979,1984,1989, 1992,1996,2000), Всесоюзной конференции «Автоколебания в конденсированной фаза» (Уфа, 1989), 1-й и 2-й Всероссийской молодежной школе »Возобновляемые источники энергии» (Москва, 1999,2000), 2-й и 3-й Всероссийской научной конференции »Физическая экология» (Москва, 1999, 2001), Между народной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» (Москва, 2001). Помимо этого результаты работы докладывались на семинарах в МГУ им М.В. Ломоносова (физический факультет, НИИ механики, географический факультет), НПО ТАЙФУН, Международной конференции по углеводородному топливу (Ялта 1995), Международной конференции « Стихия 2000»(Севастополь, 2000). Изложенные в диссертации результаты исследований, получены автором, иод его руководством и при непосредственном участии. Абсолютное большинство работ по теме диссертации работ, выполненных в соавторстве, написано лично автором. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы.
10
В первой главе рассматриваются проблемы газогидродинамического преобразования источников энергии различной физической природы. На основе анализа литературы, посвященной преобразованию ветровой энергии, выделяются вопросы, которые представляют интерес для понимания механизмов преобразовании энергии лучистого нагрева среды конвективными и вращательными движениями [Безруких ,1997]. Развивается тезис о том, что без дополнительной обработки течения, бесперспективно рассчитывать на эффективное преобразование солнечной энергии в кинетическую энергию потока. Представлены результаты, полученные при исследовании интенсивных атмосферных вихрей (тропических циклонов и торнадо) [Луговцев,1985]. Обсуждается проблема искусственного воспроизведения крупномасштабных вихрей и активного воздействия на ураганы и торнадо. Дан обзор методов изучения свойств концентраторов потенциальной энергии конвективными и вращательными движениями жидкостей и газов с обсуждением преимуществ и недостатков математического и физического моделирования гидродинамических процессов энергопреобразования [Бончковская,1962,Чашечкин 1984]. Уточняется концепция методологии изучения процессов преобразования энергии потоками, открытыми на внешний источник. Формулируется аксиоматика исследований гидродинамического преобразования энергии для открытых систем с неравновесными и неустойчивыми состояниями. Обсуждается роль различных методов формирования когерентных структур внутри закрученных около вертикальной оси потоков, способных оказывать управляющее воздействие на интенсивность гидродинамического преобразования энергии. Подтвержден вывод о целесообразности рассмотрения процессов гидродинамического преобразования энергии внешних источников с позиций нелинейности, неустойчивости, нестацио-нарности и необратимости [Холпанов и др., 1998, Зарипов, 1999].
Сделан вывод о том, что одним из эффективных механизмов регулирующих процессы вихреобразования является пространственно-временные изменения гра-
и
диентов лучистой инсоляции, температуры, давления и скорости на поверхностях раздела конвективных и вращающихся течений с окружающей средой. Определяется круг задач, связанных с изучением различных видов гидродинамической неустойчивости конвективных и вращательных движений, которые к настоящему времени не получили своего решения. Указано на перспективность исследований режимов неустойчивости течений, при которых источником энергии возмущений является как кинетическая энергия, так и потенциальная энергия основного потока [Шакина,1986; Холпанов и Шкадов,1990]. Рассмотрена вращающаяся в поле сил тяжести модельная среда, ограниченная горизонтальными и вертикальными поверхностями с малым отношением высоты и радиуса. Обращается внимание на плодотворность использования аналогии с двумерной газодинамикой при решении задач гидродинамического энергопреобразования [Довженко, Должан-ский,1987].
В главе 2 дано описание генераторов физико-гидромеханических моделей конвективно-вихревых осесимметричных течений с вертикальной осью вращения:
* тангенциального воздушного течения при вынужденной конвекции с верхне-уровневым сдвигом скорости;
* свободно-конвективного закрученного потока воздуха от неоднородно нагретой поверхности;
* дифференциального вращения мелкой жидкости при отсутствии конвекции.
Перечислены основные требования к лабораторным моделям, которые необходимо соблюдать при изучении процессов газогидродинамического преобразования энергии. Сформулированы условия экспериментов и основные параметры моделей. Представлена общая характеристика измерительного комплекса, адаптированного к физическому моделированию нелинейных процессов структурного взаимодействия конвективных и вращательных движений различного пространственно-временного масштаба в гидродинамических преобразователях энергии. Об-
12
суждаются особенности методики гидроаэродинамических измерений в физикогидромеханических моделях. Проводится сравнение данных гидродинамических измерений различными аппаратными средствами. Анализируются параметры гидродинамического подобия применительно к лабораторному моделированию процессов преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию основного низкочастотного течения среды при взаимодействии турбулентных конвективных и вихревых течений [Лыков,1972; Минаковский,1978].
В третьей главе излагаются результаты исследований процессов турбулентного переноса импульса и энергии в физико-гидромеханических моделях, поддерживаемых вынужденной конвекцией и горизонтальным сдвигом скорости на верхней границе. Представлены результаты, полученные в экспериментах с изменяющейся амплитудой сдвига скорости и шириной зоны периферийного вращения. Установлены явления, которые наблюдались в интенсивных атмосферных вихрях, но ранее не воспроизводились в лабораторных экспериментах (второй максимум на радиальных профилях тангенциальной составляющей скорости, нисходящее течение вдоль оси вращения, смена знака завихренности, кольцо повышенного давления, превышение фоновых значений циркуляции скорости, уменьшение интенсивности с ростом скорости радиального притока). Утверждается, что они обусловлены существованием внутри вихрей областей с запасами потенциальной энергии, колебательно переходящей в кинетическую энергию потока и увеличивающими его скорость. Доказывается, что причина образования локальной концентрации потенциальной энергии связана с переходом кинетической энергии турбулентных пульсаций в кинетическую энергию среднего движения и переносом турбулентного импульса вдоль градиента скорости. Экспериментальные оценки свидетельствуют, что коэффициент преобразования внешней энергии, поступающей в вихрь, растет с увеличением турбулентной генерации энергии основного течения. Для описания структуры полей давления и циркуляции скорости в вихрях предложены
13
новые формулы, отличающиеся от известных [Holland, 1980] учетом турбулентных напряжений. Решена задача о связи ноля давления и скорости в турбулентном вихре. Установлено значение параметра Такахаши (размерного числа Эйлера) равное 7,58 м/с*(гПа)0*5, превышение которого, достигается только в высоко интенсивных вихревых образованиях. Выполнен анализ баланса импульса, момента импульса и энергии в модельных и природных вихрях. Приведены оценки энергетической эффективности вихрей, определяемой отношением потенциальной энергии, перешедшей в кинетическую, к внешней энергии. Из которых следует, что на компенсацию потерь момента импульса на внутреннее и поверхностное трение расходуется 60% притока момента за счет средней циркуляции, остальные 40% идут на формирование запаса, который пополняется за счет потока момента импульса от турбулентных пульсаций.
Представлен цикл комплексных исследований гидродинамики и энергетики конвективных и вращательных движений в физико-гидромеханических моделях свободно-конвекгивных вихрей. Исследованы закономерности нелинейного гидродинамического преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию конвективных и вращательных движений, связанные с термической стратификацией и температурной инверсией в пограничном слое. Излагаются результаты экспериментов, из которых следует, что внутри вихрей существуют локальные зоны с повышенной температурой (теплые ядра). Утверждается, что они являются основными хранилищами потенциальной энергии вихря. Показано, что газогидродинамическое преобразование энергии источников различной физической природы конвективными и закрученными потоками, описывается универсальным уравнением в приведенных переменных, устанавливающим зависимость между числами Рейнольдса, Россби, Фруда.
14
Глава 4 содержит результаты лабораторного изучения нелинейных режимов формирования когерентных структур в имитационных моделях вихрей при гидродинамической неустойчивости потоков с профилями скорости типа кусочнолинейного. Показано, что нелинейность процессов гидродинамического преобразования внешней энергии в потоках с интенсивным сдвигом скорости обеспечивается близостью значений числа Россби к единице и числа Экмана— к одной десятитысячной. При неодинаковой скорости однонаправленного (циклонического, по часовой стрелке) вращения различных участков экмановских пограничных слоев над зоной сдвига скорости обнаружены полигональные конфигурации центральной линии тока глаза вихря. Полигональный контур формировался системой ан-тициклонических вихрей, которые располагались в периферийной области вихревого потока. По результатам экспериментов построена диаграмма устойчивости. Установлены значения чисел Экмана и Россби, при которых существуют самопроизвольные переходы между различными модами волновых возмущений. Предложено объяснение механизма перехода, согласно которому изменение индекса симметрии происходит за счет части внешней энергии, неиспользованной на преодоление вязких потерь в процессе диссипации. Выполнена оценка времен перестройки контура глаза вихря. Масштабный пересчет лабораторных данных для времен перестройки полигональных конфигураций линий тока вихря находится в хорошем согласии с результатами доплеровских радарных измерений времен существования разных форм глаза тропических циклонов.
Выявлен дрейф полигональных контуров глаза вихря вокруг оси вращения. Сделаны теоретические оценки времени дрейфа [Лэмб, 1948]. Показано, что скорость дрейфа волн линейно зависит от глубины жидкости и существенно превышает расчетную по дисперсионному уравнению Лэмба и методу контурной динамики ([Дим и Забуски,1981;Козлов и Макаров, 1984]).Обнаружено, что при противоположном направлении вращения центра и периферии системы для некоторых
15
глубин скорость дрейфа достигает нулевых и отрицательных значений по отношению к скорости ядра вихря. Установлено, что временные изменения генерации и диссипации энергии осуществляются в противофазс с накоплением кинетической энергии среднего движения за счет неиспользованной части энергии пульсаций, переходящей в среднее движение. В экспериментах на встречных придонных течениях обнаружены вихревые структуры в виде циклонических локализованных воронок. В плоскости изменения чисел Россби и Экмана получены кривые устойчивости, ограничивающие зоны устойчивости различного числа вихревых воронок. Наряду с известными, выявлены случаи, не согласующиеся с линейной теорией устойчивости, при которых волновое число снижается с усилением среднего вращения и сдвига. Показано, что подобное изменение волнового числа возможно только при резком нарастании сдвига скорости по отношению к общему вращению и совместном существовании горизонтального и вертикального сдвига скорости. Принципиально новым результатом является самопроизвольное изменение со временем числа вихрей-воронок при стационарном притоке внешней энергии. Произведен расчет кинетической энергии вихревых воронок в процессе осцилляций. Откуда следует, что существует систематическая энергетическая подпитка вращения за счет экранируемого расходования внешней энергии. Баланс энергий при осцилляции вихревых воронок на встречных течениях подтверждает перспективность управляющих внешних сдвиговых воздействий на когерентные структуры, возникающие при вращении. Рассмотрен механизм самоорганизации гидродинамических движений при вихревом сдвиговом течении, с двумя «сценариями» генерации концентрированной завихренности—регулярным и стохастическим. Предложен способ управления интенсивностью вихря с использованием эффекта резонанса и экранировки гравитационных спиральных возмущений, формирующихся при взаимодействии вращающегося потока с перемещающейся цепочкой придонных препятствий. Показано, что экспериментальное воспроизведение эф*
16
фекта резонанса спиральных волн поверхностной плотности становится возможным благодаря учету скалярной нелинейности с помощью специального безразмерного параметра Бо = 4р2г02/П2, который определяется зависимостью скорости
волн Россби от толщины вращающейся жидкости и выражается через р -параметр, радиус Россби-Обухова г0 и скорость общего вращения О. Получено, что отличные от нуля значения числа Бо, приводят к уширению резонансной кривой.
Пятая глава имеет прикладной характер и в ней представлены результаты применения установленных закономерностей гидродинамического энергопреобразования при решении трех задач:
*определению параметров преобразования волновой энергии в энергию биомассы, выращиваемой в плавучих морских культиваторах;
* интенсификации вихревого преобразования солнечной энергии в электростанциях парникового типа;
* расчету характеристик вихрегенеза интенсивных атмосферных вихрей.
В первой задаче сформулированы основные подходы к конструированию морских фотоблоков водорослевых биоконвергоров солнечной энергии [Лямин, Ковешников, Соловьев, 1996]. Описана конструкция плавучих морских фотоблоков, способных принимать форму, задаваемую волновыми движениями. Излагаются результаты морских испытаний в Крыму, из которых следует, что созданные плавучие фотосинтетические блоки, способны выдерживать волновые (до 4 баллов) и ветровые (до 20 м/с) нагрузки. Рассматривается применение метода операторных разностей к решению задачи о перемешивании водорослей гидродинамическими движениями жидкой дисперсной среды при волновых воздействиях. Выполнен анализ задачи о преобразовании потенциальной энергии солнечного излучения в энергию конвективно - закрученных потоков для предтурбулентных и слаботурбулентных режимов течения. Приведены формулы для расчета скорости течений, мощности потоков и коэффициента преобразования энергии лучистого
17
нагрева среды при нелинейных режимах пространственно концентрированного взаимодействия гидродинамических и тепловых движений среды. Анализируются способы интенсификации нелинейных процессов гидродинамического преобразования солнечной энергии. Приведены материалы экспериментальных исследований макетного модуля солнечно-вихревого преобразователя энергии. Обосновывается технологическая схема реализации эффективного гидродинамического преобразования солнечной энергии в энергию течений. В ее основу положен переход от потенциальной структуры потоков к вихревой, с трансформацией мелкомасштабных турбулентных пульсаций в низкочастотные движения. Приводятся сравнение параметров солнечно-вихревых и ветровых электростанций.
При решении третьей прикладной задачи выполнены расчеты энергетических характеристик интенсивных вихревых образований с использованием данных физического моделирования конвективно-вихревых течений, генерируемых на сдвигах скорости. Даны предложения по прогностическим оценкам зарождения тропических вихревых возмущений. Установлены пороговые значения географической широты и сдвигового числа Рейнольдса, определяющие возникновение устойчивого интенсивного атмосферного вихря. Предложенная схема оценки энергетики тропического циклогенеза подтверждает существенную роль баротропной неустойчивости в механизмах генерации интенсивных атмосферных вихрей.
В заключении изложены основные результаты и выводы работы.
18
ГЛАВА 1. Роль гидродинамической неустойчивости и нелинейных взаимодействий при энергообмене в конвективных и вращающихся потоках
1.1.Проблема преобразования солнечной энергии атмосферными течениями
Широкий класс возобновляемых энергоисточников связан с преобразованием солнечной энергии в различные виды энергии [Лазарев, 1947]. В последние годы в области исследований фотовольтаического, фотохимического, гидро и ветроэнергетического способов преобразования солнечной энергии научными школами Д.С. Стребкова [2002], Я.Б. Данилевича [1996], В.В. Алексеева [1999], В.И. Вассарионова [1995], достигнут значительный прогресс. Несмотря на то, что созданы перспективные энергетические технологии преобразования и утилизации солнечной энергии, остаются неразработанными вопросы, относящиеся к исследованию процессов концентрации энергии лучистого нагрева. Приходится констатировать, что энергия речных и ветровых потоков, которую удается утилизировать с помощью гидроэлектростанций и ветроустановок, вносит в энергетику весьма незначительный вклад (15%) [Доброхотов, Шпильрайн,1997]. И это происходит на фоне того, что Солнце всего за 30-40 минут присылает на Землю порцию энергии, достаточную для покрытия мировой годовой энергопотребности. Причина низкого удельного веса в мировом и региональных энергобалансах гидродинамических энергопреобразователей солнечной энергии объясняется малой величиной коэффициента преобразования солнечной энергии в кинетическую энергию потока. Более того, распространена точка зрения, что принципиальные фундаментальные решения проблемы увеличения КПД исчерпаны и на практике достигнуты значения, максимально близкие к предельным [Тарнижевский, 1996]. Наряду с этим без объяснения до сих пор остаются причины достаточно эффективной генерации энергии высоко интенсивными атмосферными вихрями типа торнадо и тропических циклонов. Резервы гидродинамического преобразования солнечной энергии обычно связываются с техниче-
19
сними усовершенствованиями процесса приема и трансформации энергии потока в другие формы, пригодные для практического использования. Поэтому, например, при решении проблемы преобразования энергии ветра главное внимание уделяется преодолению технических трудностей, которые возникают при проектировании ветроэнергетических установок (ВЭУ) с КПД, максимально приближающимся к предельному значению Г| =0,593 [Жуковский, 1935]. Основная работа заключается в решении следующих задач [Безруких,2002]: ♦подбор оптимальных значений быстроходности ветроколес;
* выбор уровня высот для приема энергии ветра;
♦достижение максимума коэффициента использования установленной мощности;
*- учет временного непостоянства скорости ветра;
*- уменьшение стоимостных показателей выработанной электроэнергии;
*- снижение уровня вредных воздействий на окружающую среду [Шагапов, Га-лиаскарова, 2001].
Благодаря техническим усовершенствованиям ВЭУ удалось в значительной степени приблизиться к уровню традиционных источников электроснабжения в районах с благоприятными скоростями ветра. Достигнутая стоимость установленной мощности ветровых энергосистем составляет 1000 долларов США за киловатт. Коэффициент полезного действия ветровых колес приблизился к 0,45.Себестоимость выработки электроэнергии достигла 5 центов за кВт-ч. Эквивалентное время годовой работы с выработкой номинальной мощности подошло к 2000 часам, коэффициент использования установленной мощности— к значениям порядка 30%. Созданы ВЭУ с большой единичной мощностью в 4 МВт. Объем мирового замещения органического топлива электроэнергией вырабатываемой ВЭУ в последние годы нарастает в среднем на 4500 МВт/год и составляет к настоящему моменту 18000 МВт. В последние годы предложен ряд перспективных усовершенствований ветроагрегатов [\Уе18Ьпс11, 2002]:
20
* ветроприемные устройства с различной ориентацией оси вращения;
* приспособления, регулирующие мощность путем подбора угла атаки с использованием нового поколения эластичных композиционных материалов;
* оснащение систем управления группой ветроагрегатов, учитывающих силу порывов ветра и нагрузку в сети;
* сеть комбинированных солнечно-ветровых установок, снабженных системой нагрева теплоносителя, аккумулирующих избыточную ветровую энергию.
Постоянно декларируемая проблема замещения ветроэнергетическими установками углеродных и атомных энергосистем не решается не только из-за несовершенств их технических модернизаций. Для обоснования претензий ветроэнергетики на определяющую роль в решении глобальных энергетических проблем явно недостаточно потенциальной годовой энергии приземных воздушных потоков, которая оценивается относительно малой величиной 3,3* 1015 кВт-ч [Энергетика мира, 1989]. Вместе с тем ВЭУ достаточно эффективно для решения частных задач. В России существует большие территории наиболее благоприятные для ветровых электростанций (рис.1 Л .1).Области возможного использования ветровых ресурсов расположены преимущественно в северных районах со среднегодовой скоростью ветра 7-8 м/с на уровне 10м. Технически достигаемая удельная мощность ВЭУ для этих регионов составляет 9,1 Вт/м2 при среднем времени использования установленной мощности 3000 часов. Суммарная установленная мощность всех ветровых запасов России, по данным работы [Алексеев, Рустамов, Чекарев, Ковешников,1999], оценивается величиной порядка 700 млн. кВт. Это означает, что ветроэнергетика является хорошим дополнением к другим энергоисточникам, в особенности для регионов, трудно-доступных для централизованного энергоснабжения.
21
Рис. 1.1.1 Схематическая карта России с распределением ветра (скорость более 5 м/с) и солнечной энергии (интенсивность более 1000 кВт ч/м2 год) [Шефтер, 1975]. Ветровые зоны показаны черным цветом, области солнечного излучения —серым цветом.
Таблица 1.1.1. Удельная мощность различных источников энергии [Солнечная энергетика, 1979].
Тип энергоисточника Удельная мощность, Вт/м2
Фотовольтаические системы 45
Уголь 30
Атомная энергия 150
Ветроагрегаты 10
Г идроэлектростаиции 10
Приливные электростанции 10
Биомасса 15
22
Следует иметь в виду, что для удовлетворения потребности населения земного шара в энергии на основе только ветровой энергии, гидродинамический способ энергопреобразования должен иметь среднею удельную мощность не
Л
менее 50 Вт/м . На сегодняшний день такому условию удовлетворяют только источники атомной энергии (см. таблицу 1.1.1) [Солнечная энергетика, 1979]. По сравнению с плотностью солнечной радиации (1000 - 3000 Вт/м2) атмосферные течения характеризуются относительно низкими значениями удельной мощности энергопреобразования солнечной энергии. Это связано с тем, что процесс ветрового преобразования энергии лучистого нагрева среды в энергию течений рассматривается в рамках равновесной термодинамики и линейной гидродинамики. При оценках коэффициента преобразования солнечной энергии в механическую энергию воздушных конвективных потоков исходят из следующих предположений [Голицин, 1980]. На нагрев единицы объема Т] воздуха
плотности р] от температуры Т1 до температуры Т2 в приземном слое затрачивается количество тепла:
Р = СрР2т1(Т2 -Т1), где р - плотность воздуха после нагрева при изобарическом процессе, Ср - теплоемкость. Подъемная сила, нагретой и расширившейся до объема т2 = т 1Т2 /Т] воздушной массы, равна:
Р = (р2-Р1)8 = р1ёт1
т2-т,
Ъ
Работа этой силы при перемещении воздуха на высоту Н :
А = Р1
Г1
Коэффициент преобразования р™ , подведенной к потоку тепловой энергии в работу по передвижению частиц воздуха (КПД конвективного струйного тер-мика) представляется отношением:
Принимая Ср=1000дж/кг-град=1000 кг-м2/с2; ^9,8 м/с2; Т=300К; высоту
Н= 1000м, для КПД конвективного струйного термина получаем =3,2%. Учет диссипации энергии конвективных восходящих потоков в тепло вязким и турбулентным трением приводит к снижению коэффициента преобразования энергии, по крайней мере, на порядок. Вместе с тем, природные атмосферные циркуляции заведомо не соответствуют столь низким значениям коэффициента газогидродинамического преобразования солнечной энергии. Проблема эффективности газогидродинамического способа трансформации энергии должна быть увязана с особенностями энергообмена между потенциальной, кинетической и диссипативной составляющими энергии течений. Об этом свидетельствует существование атмосферных течений, типа ураганов и торнадо, обладающих высокой степенью концентрации энергии солнечного излучения. Есть основания считать, что рост удельной мощности течений в интенсивных атмосферных вихрях, обусловлен изменением степени упорядоченности гидродинамических движений [Капица, Курдюмов, Малинецкий,1997]. Гидродинамические движения с широким спектром случайных частот при пространственной вариации мощности внешней накачки могут приобретать возможность переходить в одночастотное когерентное [Холпанов,2001]. К исчезновению редких флюктуаций и усилению основных должен приводить режим неустойчивости потока и нелинейное взаимодействие между движениями разных масштабов с отбором и конкуренцией [Пригожин,2000]. Практическая реализация когерентного гидродинамического движения в потоках и изменение соотношения между вязкой диссипацией и турбулентной генерацией энергии должно осуществляться переводом течений в неустойчивое состояние с конечной амплитудой возмущений заданной частоты. В таком аспекте газогидродинамический способ преобразования солнечной энергии до сих пор не исследовался.
1.2. Гидродинамическая энергетика природных и искусственных вихрей
Перспективность решения проблемы преобразования солнечной энергии в энергию движущихся потоков подтверждается высоким энергетическим потенциалом интенсивных атмосферных вихрей (ураганов и торнадо). Устойчивый интерес к их исследованию систематически поддерживается в течение длительного отрезка времени [Weyher, 1889; Flora, 1953; Наливкин, 1964;Минина и Безрукова, 1984; Ку-шин, 1993].Между тем, до сих пор нет полной ясности относительно механизмов, с помощью которых осуществляется гидродинамическое преобразование энергии природными вихревыми образованиями. Постановка задач при изучении природных вихрей диктуется, главным образом, необходимостью разработки методов заблаговременного предупреждения и предотвращения разрушительных воздействий; организаций целенаправленного перемещения и искусственного разрушения. Число отечественных и зарубежных публикаций, посвященных интенсивным атмосферным вихрям, исчисляется несколькими тысяч, но вихревыми проблемами занимаются, как правило, разрозненно. Наиболее скоординированными являются работы, выполняемые метеорологами. Гидродинамика вихрей изучается, по большей части, разобщенно без выделения, в качестве основных вопросов, связанных с преобразованием энергии. Поэтому подходы к созданию источников энергии, использующих принципы, заложенные в энергопреобразовании интенсивных атмосферных природных вихревых образований, требуют подробного рассмотрения.
Таблица 1.2.1. Распределение масштабов завихренности [Fujita, 1971].
Масштаб МЭЗО МЕЗО мизо мозо МАЗО
Размер 5000км 500 км 50 км 0,5 км 5 м
Тип Планетарный Ураган Смерч Всасывающий Лабораторный
Зона действия, (км) о 1 Vя» о (*> о г—* 1 съ о о О 7 о Г-н 10“1-! О’3 1—* 0 1 1 о 1 Ln
Несмотря на внешнее геометрическое различие ураганов (тайфунов или тропических циклонов - ТЦ) и смерчей (торнадо), их объединяет одно - высокая интенсивность. Порядок величины кинетической энергии, заключенной в таких вихрях
достаточно велик [Ван-Мигем,1977]: у смерчей энергия близка к Ю10 дж., в ураганах
- 10п 1 дж. Для характеристики масштабов завихренное! и различных вихрей обычно используется пятибальная шкала (см. табл. 1.2.1).
Главные феноменологические признаки интенсивных атмосферных вихрей, по данным книг и монографических обзоров [Brooks,1959; Брент, 1938;Davies-Jones and Kessler, 1974; Кушин, 1994], можно сформулировать так. В центральной части образуется ядро с отличной от нуля завихренностью и отделенной от остального потока границей. Между центральной и периферийной частью существует значительный перепад давления с зоной разряжения вблизи оси. Структура течений в вертикальном сечении имеет ячеистое строение с противоположно направленными осевыми и радиальными потоками. Интенсивное течение нередко сопровождается различными метеорологическими явлениями, в том числе, грозовыми разрядами и молниями. Концентрированная завихренность перемещается относительно земли и водной поверхности. Внутри возникают, вторичные вихри - точки всасывания, которые движутся вокруг ядра[р1цйа, 1976,1977]. Всасывающие вихри обладают значительной подъемной силой, достигающей порядка десятков тонн. Существование зоны горизонтальных сдвигов скорости проявляется в виде верхнеуровневой области с анти-циклоническим вращением и кольцом повышенного давления.
Относительно физических механизмов энергопреобразования в интенсивных атмосферных вихрях до сих пор нет полной ясности. Существует несколько гипотез, но ни одна из них не получила надежного подтверждения. Одной из первых была тепловая гипотеза [Flora, 1953, Гутман, 1969]. Предполагалось, что осевой поток формируется за счет горизонтальной разности температур у поверхности земли. Возникающие благодаря тепловой конвекции сходящиеся потоки вблизи поверхности получают вращательное движение от приземного ветра. Оценки, выполненные впоследствии оценки Воннегутом [Vonnegut, 1960] показали, что для поддержания скорости порядка 100 м/сек, перепад температур должна быть не меньше, чем 20°С.
Такие ситуации могут возникать в атмосфере только при экстремальных тепловыделениях.
Согласно вращательной гипотезе, вихрь зарождается в верхних слоях атмосферы при наличии горизонтального сдвига скорости [Борисенков, 1960]. Возмущение, в виде кругового потока сужаясь, опускается к земле. При уменьшении радиуса вращения скорость движения воздуха увеличивается, достигая относительно больших значений. Подтверждая возникновение при таком вращении нисходящего потока на оси, данная гипотеза не дает объяснения факта существования восходящих течений и всасывания предметов.
Указанные гипотезы, предопределяли приоритет в механизме генерации смерча механических и термодинамических факторов [Вегенер, 1936]. Механический фактор играл роль первоначального толчка, а тепловой определял последующее развитие процесса.
В рамках гипотезы атмосферной неустойчивости [Гутман, 1969] основная роль при образовании вихрей определялась гравитационной неустойчивостью. Предполагалось, что условия, способствующие всплыванию теплого влажного воздуха, возникали тогда, когда вертикальный градиент температуры вблизи поверхности становился выше адиабатического. Поднимающийся воздух, увлекая за собой новые массы, приобретал ускорение. Развитие вихря обеспечивалось превращением потенциальной энергии нижних слоев воздуха в кинетическую энергию закрученного потока. По мнению ряда авторов [Da vies-Jones and Kessler, 1974], указанная гипотеза противоречит инициирующей роли облаков при зарождении вихрей.
Совместное сосуществование электрических явлений и вращательных движений послужило основой для электромагнитогидродинамической гипотезы [Щербинин, 1973; Vonnegut, 1960]. При разряде между землей и облаками воздух нагревается и вызывает конвекцию. Расчеты показывали, что для раскрутки столба воздуха диаметром 100 м до скорости 200 м/с необходимо затратить порядка 1017 эрг
22
[Vonnegut, 1960]. Энергии одного разряда 10 эрг, вполне достаточно для формирования смерча. Электрические явления часто не наблюдаются в воздушных смер-
чах и совсем отсутствуют в водяных. Поэтому объяснение возникновения и развития смерчей в результате действия электрических сил нельзя признать корректным. Кратковременность процесса нагрева среды при электрическом разряде указывает на недостаточную величину энергии, необходимой для поддержания стационарного и интенсивного вихревого потока. Неосуществимым, как полагают некоторые авторы, являются и предположение о том, то ионизированный воздух приобретает ускорение под действием сил электромагнитного поля [Шилова, Щербинин, 1974]. При коническом стекании тока по стенкам вихря возникает азимутальное магнитное поле. Взаимодействие этого поля с током должно порождать силу с ротором, ориентированным по азимуту. В результате воздух будет приходить в движение вдоль оси. Магнитогидродинамическая гипотеза могла бы описать зарождение вихрей, если бы было доказано, что проводимость воздуха обеспечивает плотность тока порядка 10 3 а/см2.
Казанцевым [1988] предложена торообразная гипотеза. Согласно ей смерч возникает из вихревых колец, образуемых при меандрах струйных атмосферных течений. Вследствие атмосферной неустойчивости система колец начинает перемещаться вниз. При опускании в плотные слои атмосферы их угловая скорость увеличивается, сечение уменьшается, возникает вертикальное растяжение и образуется хобот смерча. Разность температур приземного воздуха и воздуха, опускающего при растяжении колец, определяет интенсивность теплопередачи и количество энергии, поступающей от нагретой поверхности в смерч. При разности температур в 10° С смерчу массой 5-108 кг потребуется энергии 5 • 102 дж, что вполне достаточно для образования торнадо. Однако при такой интенсивности вращения с опусканием колец должно наблюдаться вдавливание приземных тел, а не их всасывание как это происходит на самом деле.
В гравитационно-тепловой гипотезе предпринимается попытка объединить механические и конвективные представления с определением ресурсов, обеспечивающих не только возникновение смерча, но и его самостоятельную жизнь [Кушин, 1993].Источник начального вращения—-угловой момент в облаках, который создает-
ся при столкновении теплого и холодного воздуха. Подъем воздушных масс происходит вследствие гравитационной неустойчивости. Источником энергии является теплота перехода вода-лед. Избыток работы при перемещении вниз холодного воздуха и подъем вверх теплого идет на увеличение кинетической энергии. По расчетам Кушина[1993] для существования смерча потребуется порядка 2-3 кг/мЗ водных масс, засасываемых снизу и после подъема превращенных в лед. Одним из существенных моментов этой гипотезы является то, что воронка смерча, образованная из "скрученного дождя", намного тяжелее окружающего воздуха и падает из облака под действием силы тяжести. Вес дождевой воронки, в самом деле, может превзойти вес вытесненного воздуха. Однако после касания воронкой земли соотношение сил, действующих по вертикали, может быть иным, чем тогда, когда воронка начинала выпадать из облака. Так будет, если в расчете принимать во внимание только силы, действующие в горизонтальной плоскости - силу градиента давления и центробежную силу и не учитывать вертикальные течения. Не следует забывать, что статическая масса воды, ограниченная поверхностью и вращающаяся водная воронка с радиальными и вертикальными потоками - это далеко не одно и тоже. В гравитационно-тепловой гипотезе есть еще одно «узкое» место. Это предположение о существовании специфического распределения вертикальных движений в облаке. Оно, по мнению автора, должно быть обусловлено наличием мезоциклона, состоящего из холодных сухих масс воздуха. Между тем, мезоциклон не является «сухим». Допущение относительно о сухих холодных мезоциклонах, способствующих опусканию значительных масс очень холодного сухого воздуха не находит подтверждения в прямых наблюдениях. Согласно современным представлениям метеорологов существенным фактором в генерации смерча является не сухой, а влажный мезоциклон.
В соответствии с гипотезой периферийной концентрации завихренности образование смерча происходит в две ступени [Snow, 1982]. Так называемый, влажный мезоциклон образуется при нарушении приземной устойчивой стратификации атмосферы путем первоначальной закрутки большого по протяженности столба восходящего воздуха диаметром 10-20 км. Внешнюю оболочку мезоциклона составляет