Лабораторное исследование нестационарных конвективных течений с геофизическими приложениями

  • А.Н. Сухановский Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • А.Ю. Васильев Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • А.В. Евграфова Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • А.М. Павлинов Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Е.Н. Попова Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • В.А. Щапов Институт механики сплошных сред УрО РАН
Ключевые слова: конвекция, интенсивные вихри, лабораторное моделирование, PIV, геофизические течения

Аннотация

Целью работы является экспериментальное исследование конвективных течений от локализованного источника тепла с геофизическими приложениями, в качестве которых рассмотрены лабораторный аналог тропического циклона и конвективная циркуляция на масштабе мегаполиса. Основное внимание уделено изучению роли вторичных, мелкомасштабных структур в пограничном слое на интенсификацию теплообмена. Экспериментально исследованы особенности процесса теплообмена от локализованного источника тепла в цилиндрическом слое для различных значений числа Прандтля и аспектных отношений. Проведено лабораторное исследование влияния конвективных валов на усиление теплового потока с поверхности моря и инициирования процесса быстрой интенсификации тропических циклонов. Реализован оригинальный подход обеспечивающий сопряжение измерительных систем и суперкомпьютера. Предложена и апробирована методика для лабораторного моделирования воздушных потоков и процессов теплообмена на масштабах мегаполисов.

Сведения об авторах

А.Н. Сухановский, Институт механики сплошных сред УрО РАН
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт механики сплошных сред УрО РАН - филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ИМСС УрО РАН)
А.Ю. Васильев, Институт механики сплошных сред УрО РАН

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник,"ИМСС УрО РАН"

А.В. Евграфова, Институт механики сплошных сред УрО РАН

кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, "ИМСС УрО РАН"

А.М. Павлинов, Институт механики сплошных сред УрО РАН

кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, "ИМСС УрО РАН"

Е.Н. Попова, Институт механики сплошных сред УрО РАН

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, "ИМСС УрО РАН"

В.А. Щапов, Институт механики сплошных сред УрО РАН

кандидат технических наук, младший научный сотрудник, "ИМСС УрО РАН"

Литература

  1. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений // - М.: Наука, 1989. 320 с.
  2. Зимин В.Д., Фрик П.Г. Турбулентная конвекция // М.: Наука, 1988. - 178 с.
  3. Siggia E.D. High Rayleigh number convection // Annu. Rev. Fluid Mech., 1994. - Vol. 26. - P. 137-168.
  4. Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large-scale dynamics in turbulent Rayleigh-Benard convection // Rev. Mod. Phys. - 2009. - Vol. 81. - P. 503-537.
  5. Chilla F., Schumacher J. New perspectives in turbulent Rayleigh-Benard convection // Eur. Phys. J.E. - 2012. - Vol. 35, 58.
  6. Oztop H.F., Estelle P., Yan W.-M., Al-Salem K., Orfi J., Mahian O. A brief review of natural convection in enclosures under localized heating with and without nanofluids // Int. Comm. Heat Mass Tran., - 2015. - Vol. 60. - P. 37-44.
  7. Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Horizontal rolls over localized heat source in a cylindrical layer// Phys. Nonlinear Phenom. - 2016. - Vol. 316. - P. 23-33.
  8. Bakhuis D., Ostilla-Monico R., van der Poel E.P., Verzicco R., Lohse D. Mixed insulating and conducting thermal boundary conditions in Rayleigh-Benard convection // J. Fluid Mech. - 2018. - Vol. 835. - P. 491-511.
  9. Emanuel K. 100 years of progress in tropical cyclone research // Meteorol. Monogr. 59:15-1. (2018), https://doi.org/10.1175/AMSMONOGRAPHS-D-18-0016.1.
  10. Vigh J.L. Tropical cyclone intensity change: internal influences-rapporteur report, topic 3.1 // Conference paper IWTC-9. - 2018. - P. 1-72.
  11. Kreizer, M., Ratner, D., Liberzon, A. Real-time image processing for particle tracking Velocimetry // Exp. Fluids 48(1). - P. 105-110 (2010).
  12. Willert C.E., Munson M.J., Gharib M. Real-time particle image velocimetry for closed-loop flow control applications // In: 15th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics (2010).
  13. Yu H., Leeser M., Tadmor G., Siegel S. Real-time particle image velocimetry for feedback loops using FPGA implementation // J. Aerosp. Comput. Inf., Commun. - 2006. - Vol. 3(2). - P. 52-62.
  14. Gautier N., Aider J.L. Real-time planar flow velocity measurements using an optical flow algorithm implemented on GPU // J. Vis. - 2015. - Vol. 18(2). - P. 277-286.
  15. Arnfield, A.J. Two decades of urban climate research: a review of turbulence, exchanges of energy and water, and the urban heat island // Int. J. Climatol., - 2003. - Vol. 23: 1-26. doi:10.1002/joc.859.
  16. Sessa V., Xie Z.T., Herring S. Thermal stratification effects on turbulence and dispersion in internal and external boundary layers // Boundary-Layer Meteorology. - 2019.
  17. Grylls T. [et al.] Steady-State Large-Eddy Simulations of Convective and Stable Urban Boundary Layers // Boundary Layer Meteorology. - 2020. - Т. 175. - №. 3. - С. 309-341.
  18. Evgrafova A., Sukhanovskii A. Specifics of heat flux from localized heater in a cylindrical layer // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2019. - Т. 135. - С. 761-768.
  19. Sukhanovskii A., Popova E. The Importance of Horizontal Rolls in the Rapid Intensification of Tropical Cyclones // Boundary-Layer Meteorology. - 2020. - С. 1-18. https://doi.org/10.1007/s10546-020-00503-2.
  20. Щапов В.А., Евграфова А.В., Масич Г.Ф. [и др.] Применение суперкомпьютерной обработки данных от измерительных систем для проведения экспериментов с обратной связью // Программные системы: теория и приложения, - 2018, - Vol. 9:1(36), С. 3-19.
  21. Stepanov R., Sozykin A. Distributed PIV Technology: Network Storage Usage // CEUR Workshop Proceedings. - CEUR-WS, - 2017. - Т. 1990. - С. 121-129.
  22. Sukhanovskii A.,Shchapov V., Pavlinov A., Popova E. Laboratory model of tropical cyclone with controlled forcing // Journal of Physics: Conference Series, - 2018/ - Vol. 1128. - 012133, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1128/1/012133.
  23. Sukhanovskii A. [et al.] Different aspects of laboratory analog of tropical cyclone // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - IOP Publishing, 2019. - Т. 231. - №. 1. - С. 012052.
Опубликован
2021-01-12
Как цитировать
Сухановский, А., Васильев, А., Евграфова, А., Павлинов, А., Попова, Е., & Щапов, В. (2021). Лабораторное исследование нестационарных конвективных течений с геофизическими приложениями. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, (4), 47-54. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/2658-705X/2020.4.4
Выпуск
Раздел
Статьи