Экспериментальное моделирование процессов тепломассообмена при испарении, кристаллизации капельных зародышей града

Семидесятые годы ознаменовались новым подъемом развития науки в области физики облаков, в частности, физики грозоградовых процессов. Благодаря значительным успехам, достигнутым в создании новой эффективной измерительной техники, в ряде научных центров мира были выполнены уникальные лабораторные эксперименты и проведены комплексные широкомасштабные исследования в натурных условиях — в атмосфере.

К ним, в первую очередь, относится национальный градовый эксперимент, проводившийся в США в 1972 — 1974 гг., и швейцарский международный эксперимент «Гроссферзух — IV», проводившийся в 1977 -1981 гг. Эти исследования существенно продвинули наши представления об облачных процессах, приводящих к градобитиям. Интерес к выпадению града определяется не только тем, что это загадочное явление природы, но и в первую очередь тем, что оно приносит значительный материальный ущерб посевам, садам, зеленым насаждениям, животным и постройкам.

Исследования механизма образования града наталкиваются на принципиальные трудности, заключающиеся в том, что проведение прямых экспериментов внутри градовых облаков до сих пор сопряжено с опасностью для жизни исследователя, а также связано с решением сложных научно-технических, финансовых и организационных проблем. Поэтому получили развитие методы, в которых с целью восстановления картины процессов, происходящих в градовых облаках, приходится решать обратную задачу, заключающуюся в расшифровке внутреннего строения выпавших градин. Основным источником информации о микрофизических характеристиках градин являются тонкие срезы градин.

В этой связи исходным обоснованием необходимости лабораторного моделирования зарождения и роста града послужило признание того, что история града заключена в форме, размере и внутренней структуре градин и возможности ее установления соответствующими физическими методами. В частности, представляется, что условия обледенения, ведущие к росту града, можно дублировать в аэродинамической трубе, а эксперименты с искусственными градинами могут раскрыть историю роста.

Несмотря на большой объем исследований, проведенных в данной области, многие вопросы, связанные с образованием и ростом града, до настоящего времени остаются не выясненными. К ним, в частности, относятся условия образования зародышей града и их последующего роста в облаке, играющие существенную роль в процессах градообразования. Механизм образования зародышей градин довольно разнообразен, но во многих случаях зародышами градин являются крупные замерзшие капли.

Современные методы воздействия на градообразование основываются на создании дополнительных искусственных зародышей градин в конвективном облаке. Физика явления заключается в том, что искусственные зародыши градин конкурируют за влагу в облаке, в результате чего происходит перераспределение воды в облаке и уменьшение размеров образующихся градин [67].

Образование искусственных зародышей происходит либо при попадании частиц льдообразующих реагентов внутрь облачных капель, находящихся в теплой части облака, либо при их последующем поднятии в область отрицательных температур и затвердевании.

Быстротечность процессов образования града предъявляет особые требования к методике засева облаков и к выбору зоны внесения реагента.

Поэтому значительный интерес для воздействия на градовые процессы представляют исследования процессов тепло — и массопереноса при охлаждении и затвердевании капель воды, витающих в потоке воздуха.

Цель работы.

Экспериментальные исследования процессов теплои массопереноса при охлаждении и кристаллизации капель воды и росте зародышей градин.

Экспериментальное моделирование процессов испарения и кристаллизации левитирующих капель воды, находящихся в потоке воздуха, при отсутствии и наличии электрического поля.

Для достижения этой цели были сформулированы и решены следующие задачи:

— разработана методика экспериментального моделирования процессов кристаллизации и испарения капель воды;

— обработан и систематизирован экспериментальный материал, исследованы процессы переноса и фазовые превращения в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при отсутствии и наличии электрических полей;

— проведены анализ и уточнение существующих решений задачи о затвердевании сферических тел;

— выполнены эксперименты по исследованию влияния электрического поля на процесс кристаллизации и интенсивность испарения левитирующих капель воды.

Метод исследования.

Для решения поставленных задач:

— сконструирована научная аппаратура для экспериментального моделирования процессов кристаллизации и испарения капель воды;

— проведено микрофотографирование левитирующих капель воды в потоке воздуха для контроля изменения их размеров;

— осуществлялось измерение скорости потока воздуха дифференциальными трубками Пито для получения профиля потока в месте расположения жидкой капли;

— проведено исследование малого параметра (метод возмущений) для определения распределения температуры и положения поверхности раздела фаз.

Научная новизна.

В работе впервые получены следующие результаты:

— уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания в потоке воздуха капель воды, их размеры и температуру среды;

— эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха;

— зависимости, обобщающие результаты экспериментов по теплои массопереносу от замерзших капель воды в потоке воздуха;

— температурно-временные зависимости времени испарения и продолжительности кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха при отсутствии и наличии электрического поля.

Практическая ценность представленной диссертационной работы состоит в том, что:

— полученное уравнение множественной регрессии с высоким значением коэффициента корреляции, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с температурой среды и размером, может быть использовано при теоретическом моделировании процессов зарождения и роста града;

— результаты исследования особенностей испарения капель могут быть использованы для совершенствования методов оценки эффективности работ по искусственному увеличению осадков;

— полученные результаты экспериментального моделирования могут быть использованы при определении времени образования капельных зародышей града в облаках.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

— уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с их размерами и температурой среды;

— эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха;

— методика и результаты экспериментального моделирования процессов теплои массопереноса при кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха;

— результаты экспериментального моделирования процессов испарения и кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха при отсутствии и наличии электрического поля.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается тем, что разработанные и использованные в работе средства измерения и индикации проверены, отградуированы при помощи эталонных и стандартных средств измерений в соответствии с существующими положениями. Применены апробированные физические, математические и статистические методы исследований, обработки, анализа и обобщения данных.

Личный вклад автора.

Автором работы под руководством научного руководителя были получены следующие результаты:

— систематизированы и обобщены экспериментальные данные по тепло — и массопереносу затвердевших частиц и времени полного затвердевания капель водыэкспериментально исследованы процессы кристаллизации и испарения левитирующих капель воды в потоке воздуха;

— получен профиль скорости потока воздуха, необходимый для «подвешивания» капли воды в потоке воздуха, а также определены максимальное время протекания процесса полного испарения и максимальный размер левитирующих капель воды в потоке воздуха;

— экспериментально установлены главные факторы, определяющие интенсивность и длительность протекания процессов кристаллизации и испарения при наличии электрических полей и их отсутствии.

Апробация полученных результатов.

Основные результаты работы докладывались на:

— Межрегиональной конференции молодых ученых «Перспектива"-Нальчик, 2002;

— Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессыНальчик, 2001;

— Конференции молодых ученых КБНЦ РАННальчик, 2002;

— Региональной конференции «Теоретические и прикладные проблемы современной физики «- Ставрополь, 2002;

— Конференции молодых ученых Высокогорного геофизического института, посвященной 90-летию Г. К. СулаквелидзеНальчик, 2003; 5-ой Российской конференции по атмосферному электричеству-Владимир, 2003 .

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 126 страниц машинописного текста, включая 10 таблиц, 19 рисунков, список используемой литературы из 112 наименований работ, из них 35 на иностранных языках.

Заключение

.

1. Разработаны аппаратура и методика по исследованию процессов испарения и кристаллизации капель воды, подвешенных в потоке воздуха, при наличии и отсутствии электрического поля.

2. На основе аппроксимации экспериментальных данных получено уравнение подобия, которое позволяет определить время полного t затвердевания капли воды в потоке воздуха.

3. Получена эмпирическая формула, устанавливающая зависимость-времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха.

4. На основе статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания капель воды с температурой среды и размером.

5. Эксперименты показали, что процесс испарения капли воды, подвешенной в потоке воздуха, протекает наиболее интенсивно в том случае, когда левитирующая капля находится в постоянном электрическом поле напряженностью 3 кВ/см, и наименее интенсивно при отсутствии электрических полей.

1 сИ.