Главная » 2014 » Июль » 21 » Скачать Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей. Строкатов, Антон Анатольевич бесплатно
0:31 AM
Скачать Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей. Строкатов, Антон Анатольевич бесплатно
Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей
Диссертация
Автор: Строкатов, Антон Анатольевич
Название: Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей
Справка: Строкатов, Антон Анатольевич. Физическое моделирование огненных и тепловых смерчей : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.02.05 Томск, 2007 132 c. : 61 07-1/1054
Объем: 132 стр.
Информация: Томск, 2007
Содержание:
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ
11 Теории возникновения смерчей
12 Условия образование торнадо, его развитие и строение
13 Отечественные и зарубежные исследования, посвященные проблемесмерчей
14 Объект исследования
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛБНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИОНРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ИАРАМЕТРОВ
21 Описание экспериментальных установок
22 Методики определения термогазодинамических параметров всмерчах
23 Методика определения яркостной температуры в огненном смерче спомощью тепловизора
24 Оптические методы определения влияния высокотемпературнойсреды на распространение излучения
25 Методы обработки результатов измерений
3 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 0ГНЕННБ1Х СМЕРЧЕЙ
31 Выбор определяющих процесс параметров и критерии подобиярешаемой задачи
32 Физическое моделирование огненных смерчей в лабораторныхусловиях
33 Термогазодинамические характеристики огненного смерчаТемпература на оси симметрии и величина тепловых потоков
34 Измерения параметров смерча в инфракрасной области излучения
35 Измерения геометрических размеров смерча в видимом диапазоне
4 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕНЛ0ВБ1Х СМЕРЧЕЙ
41 Исследования тепловых смерчей в лабораторных условияхРезультаты экспериментов и их обработка
42 Исследование влияния акустических возмущений на возникновениеи эволюцию теплового смерча
43 Сравнение и анализ механизмов возникновения и распада огненныхи тепловых смерчей 115ВБ1В0ДБ1 122СПИСОК ИСП0ЛБ30ВАНН0ЙЛИТЕРАТУРБ
Введение:
Огненные смерчи есть разновидность атмосферных смерчей и являютсянримером экологических природных катастроф, приносящих огромныеразрушения [1-3]. Как показывают наблюдения за природными огненнымисмерчами, возникающими при крупных лесных пожарах, массовых пожарахв городах, материнское облако образуется в результате мощной дымовойконвективной колонки, сопровождаемой кучевыми облаками. Это облакопопадает, например, в область между циклонным и антициклонным вихрями,которые сообщают ему вращательный момент инерции. Вращающеесяматеринское облако подпитывается энергией завихренной конвективнойколонки массового пожара и порождает воронку и атмосферный огненныйсмерч. На оси симметрии вихря вследствие конвектив1юго теплового потокасоздается область пониженного давления из-за более высокой температуры[4]. Парадокс существования смерча заключается в том, что он представляетсобой устойчивую с точки зрения гидродинамики, структуру. Хотя закруткагаза или жидкости должна приводить к уширению струи, увеличению ееядра, и уменьшению дальнобойности из-за центробежных сил, ктурбулизации течения [5]. Размеры материнского облака достигают 200-300м в диаметре и до 1200 м высоты. Высота огненного смерча может достигать10 км.Лабораторными исследованиями смерчей-вихрей в газе и в жидкостизанимаются давно, как в нашей стране, так и за рубежом. Однако самыеинтенсивные и локализованные атмосферные вихри торнадо являютсяодновременно самыми неизученными. В литературе мало работ,посвященных экспериментальному исследованию огненных смерчей.Цель работы - проведение экспериментального исследования огненныхи тепловых смерчей в лабораторных условиях, сравнение полученнойфизической модели с натурными явлениями.4Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:1. Обзор публикаций и создание экспериментальных установок длямоделирования огненных смерчей в лабораторных условиях несколькиминезависимыми способами.2. Проведение экспериментальных исследований, выбор критериевподобия процессов течения и теплообмена газа в огненных и тепловыхсмерчах и их численное определение.3. Сравнительный анализ огненных смерчей, полученных при сгоранииразных типов горючих материалов.4. Выяснение механизма формирования, функционирования иустойчивости смерчей.5. Сравнение полученных физических моделей огненных и тепловыхсмерчей с натурными явлениями и теоретическими исследованиями.Научная новизна исследования заключается в следующем:1. Разработаны и созданы стенды для моделирования огненных итепловых смерчей в открытом пространстве в лабораторных условиях.2. Выяснен механизм течения и теплообмена газа в огненных итепловых смерчах на основании экспериментальных данных погидродинамической структуре течения газа в вихрях.3. Рассчитаны и определены критерии возникновения и эволюцииогненных и тепловых смерчей.4. Исследованы восприимчивости смерчей к малым энергетическимвозмущениям - акустическим колебаниям.На защиту выносятся следующее:1, Конструкции и установки, на которых несколькими независимымиспособами были получены огненные и тепловые смерчи в открытомпространстве. Возможность физического моделирования смерчей влабораторных условиях.52. Экспериментальные результаты определения термогазодинамическихпараметров течения газа и теплообмена в огненных и тепловых смерчах наоснове использования упомянутых ранее установок,3. Механизм процесса формирования и устойчивости смерчей,4. Возможность управления и разрушения теплового смерча малымиэнергетическими возмущениями, акустическими колебаниями влабораторных условиях.Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что вдиссертационной работе, проведен комплекс экспериментальныхисследований огненных и тепловых смерчей, часто возникающих вприземном слое атмосферы, при различных природных (лесные и степныепожары) и техногенных (горение нефти, разлитой по различным типамподстилающей поверхности и горючего газа, при разрыве нефте- игазопроводов) катастрофах с учетом взаимосвязи движения горючихжидкостей и газов и их горения с образованием огненного столба,перемещающегося по поверхности горючего материала. Наконец, врезультате экспериментальных исследований смерчей построена физическаямодель процесса и выяснены механизмы формирования и устойчивостивихрей этого типа, что позволит предложить новые способы борьбы с ними.Достоверность экспериментальных результатов работы обеспеченаиспользованием различных независимых методик определениятермогазодинамических параметров в смерчах, статистической обработкирезультатов измерений и их сравнением с некоторыми экспериментальнымии теоретическими данными российских и зарубежных авторов,опубликованными в научной литературе и в том числе данными результатовнаблюдений за реальными массовыми пожарами в Гамбурге [6],Теоретическая и практическая значимость, а также перспективностьработы получили признание в России как имеющие важное значение всоответствующей области знаний и подтверждены финансовой поддержкой вгранте 130327 в ведомственной программе Министерства образования и6науки РФ Федерального агентства по образованию «Развитие научногопотенциала высшей школы», подпрограмма по разделу 3.3 «Развитие научноисследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников,аспирантов и студентов», проект «Экспериментальное исследованиеогненных смерчей», 2005 г., в гранте РФФИ 05-01-00201-а «Математическоемоделирование возникновения и распространения огненных смерчей», 20052007 гг., и дипломом в «Всероссийском открытом конкурсе на лучшуюнаучную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукамстудентов 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 томчисле Международной конференции «Сопряженные задачи механики,информатики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004), XI Joint InternationalSymposium "Atmospheric and Ocean optics. Atmspheric Physics" (Томск, 2004),XIII Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005), 5"^ InternationalSeminar on Flame Structure (Новосибирск, 2005), Международном научнотехническом симпозиуме "Образование через науку" (Калуга, 2005), IXВсероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых"Наука и образование" (Томск, 2005), Международной конференции "Лесныеи степные пожары: возникновение, распространение, тушение иэкологические последствия" (Иркутск, 2005), Международной научнопрактической конференции "Снежинск и наука - 2006" (Снежинск, 2006),Международной конференции «Пятые Окуневские чтения» (СанктПетербург, 2006). XIII Joint International Symposium "Atmospheric and OceanOptics. Atmospheric Physics" (Томск, 2006).По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи вцентральной печати в журналах, рекомендованных ВАК. Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механикимеханико-математического факультета Томского государственногоуниверситета и в лаборатории распространения волн ИОА СО РАН. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и спискалитературы из 95 наименований на русском и иностранных языках. Работасодержит 132 страницы текста, 40 рисунков и 20 таблиц.В первой главе дается краткий обзор как российских, так и зарубежныхученых по проблеме формирования и функционирования вихрей типаторнадо и огненных смерчей, схожих друг с другом. Рассмотрены основныемодели вихревых структур (модели Рэнкина и Бюргерса), которыекачественно отражают основные особенности концентрированных вихрей.Во второй главе в разделе 2.1 описаны экспериментальные установки,разработанные для моделирования огненных и тепловых смерчей.Моделирование огненных смерчей осуществлялось в лабораторных условияхс помощью трех независимых способов, основанных на закруткевосходящего конвективного потока продуктов сгорания нефти(моделирование горения нефти разлитой по поверхности почвы),конструкций из дерева (моделирование пожаров в населенных пунктах) илесных горючих материалов (моделирование лесных пожаров).Конвективный поток закручивался вращением нижнего основания подложкис горючими материалами, сверху вращающимися лопастями вентилятора исбоку с помощью воздущного потока, генерируемого аэродинамическойтрубой МТ-324.В разделах 2.2-2.5 даются методики определения газодинамических итепловых параметров смерча и методы обработки результатов измерений.Описываются оптические методы определения влияниявысокотемпературной среды на распространение излучения и методикаопределения яркостной температуры в огненном смерче с помощьютепловизора.8Третья глава посвящена экспериментальному исследованию огненныхсмерчей, В первых двух разделах 3.1 и 3.2 дается описание физическихпроцессов, происходящих в огненных вихрях. Выбираются параметры,определяющие термогазодинамические характеристики и критерии подобия.В разделах 3.3 и 3.4 исследуются изменения тепловых характеристикогненного смерча, приводятся результаты измерений температур смерча винфракрасной области излучения. Разделы 3.5 и 3.6 посвящены анализурезультатов измерений геометрических размеров смерча в видимомдиапазоне спектра и скоростей газа.В четвертой главе рассматривается физическая модель тепловогосмерча. Проводится обработка результатов и сравнение экспериментальныхданных с теоретическими. Исследуются влияния акустических возмущенийна возникновение и эволюцию теплового смерча и проводится анализустойчивости. Визуализация гидродинамической картины течения газа вогненном и тепловом смерчах, результаты измерениятермогазодинамических параметров, скорости горения и их анализпозволяют сформулировать механизм формирования и эволюции смерчей.В выводах сформулированы основные научные результаты,полученные при подготовке и написании настоящей диссертационнойработы.9