ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕНЕВЫМИ МЕТОДАМИ МЕХАНИЗМОВ ГЕНЕРАЦИИ БРЫЗГ ПРИ ВЕТРОВОЛНОВОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ

А.А. Кандауров, Д.А. Сергеев, О.С. Ермакова, Ю.И. Троицкая

Институт прикладной физики РАН, Россия

E-mail: daniil@hydro.appl.sci-nnov.ru

Содержание

1. Введение

2. Общее описание Эксперимента, схемы подсветки и видеосъемки

3. Анализ изображений и классификация механизмов образования брызг

4. Заключение

Благодарности

Список литературы

Аннотация

В работе представлены результаты исследований механизмов генерации брызг при обрушении волн, полученные в рамках лабораторного моделирования ветро-волнового взаимодействия на Высокоскоростном ветро-волновом канале ИПФ РАН. Для исследований использовалась система многоракурсной высокоскоростной видеосъемки с применением теневого метода, включая подводную подсветку. Полученные результаты позволили классифицировать механизмы, приводящие к образованию брызг.

Ключевые слова: брызги, ветер, волны, лабораторное моделирование, теневой метод высокоскоростная видеосъемка

1. Введение

Брызги воды, образующиеся в приводном слое атмосферы над морской поверхностью, представляют собой капли с размерами от десятков нанометров до нескольких миллиметров. Они инжектируются с морской поверхности в результате обрушений волн в прибрежной зоне или при сильных ветрах. Крупные капли с размерами от 10 мкм до нескольких миллиметров после отрыва с поверхности, затем оседают в океан под действием силы тяжести, обеспечивая, таким образом, прямой обмен массой, теплом и импульсом между атмосферой и океаном. В частности, в последнее время считается, что потоки явного и скрытого тепла, связанные с брызгами, играют определяющую роль в развитии штормов и тропических ураганов (см., например, [1]). Однако, в оценках этих эффектов остаются значительные неопределенности, связанные с тем, что потоки определяются плохо изученными величинами: количеством брызг различных размеров, вылетающих с поверхности, и их начальными скоростями. Так, эмпирическая функция генерации брызг, которая характеризует распределение брызг по размерам, вылетающих с единицы поверхности в единицу времени, в разных наблюдениях может отличаться на шесть порядков (см. сводку экспериментальных данных в [2]). Подобные неопределенности связаны как с трудностями проведения измерений в натурных условиях в условиях шторма, так и с недостаточной изученностью механизмов генерации брызг.

Лабораторное моделирование на ветро-волновых каналах является хорошей альтернативой для натурных исследований, т.к. позволяет обеспечить контролируемость условий и их воспроизводимость для получения необходимого ансамбля реализаций для последующей статистической обработки. Ранее были выполнены исследования по исследованию механизмов генерации капель в работах [4, 5, 6]. В них применялись теневые методы наблюдений (включая использование высокоскоростной съемки в [6]). В настоящей работе был предложен новый подход, базирующийся на использовании теневого метода с высокоскоростной видеосъемкой с разных ракурсов, включая вид сверху с подсветкой из-под воды. Использование видеосъемки, скорость которой почти в 10 раз превосходила используемую в наиболее современной работе [6], позволила пронаблюдать и в деталях исследовать ранее упоминавшиеся механизмы генерации.

2. Общее описание Эксперимента, схемы подсветки и видеосъемки

Эксперименты проводились на Высокоскоростном Ветро-волновом канале Большого термостратифицированного бассейна ИПФ РАН. Канал воздушного потока сечением 0,4×0,4 м имеет длину над водной поверхностью 10 м, максимальная скорость воздушного потока в канале, приведенная к высоте 10 м, составляет 40 м/с. Подробное описание этой установки, принципов создания и управления воздушным потоком в ней приведено в [3].

Съемка поверхности воды в канале производилась с помощью высокоскоростной цифровой камеры NAC Memrecam HX-3 с двух различных ракурсов: вид сверху в 7 секции канала с использованием подводной подсветки (вертикальный теневой метод) см. Рис. 1а, и вид сбоку в 8 секции канала с использованием вертикального матового экрана и надводного светодиодного фонаря мощностью 300 Вт (горизонтальный теневой метод) Рис. 1б.

В случае горизонтального теневого метода камера располагалась в герметичном боксе, прикрепленном к боковой стенке канала в районе 8 секции (длина разгона 7,5 м). (см. Рис. 1а). Оптическая ось объектива камеры камера расположена на 5 см выше уровня поверхности воды, направлена горизонтально. Расстояние от камеры до области съемки 65 см. Светодиодный прожектор установлен сбоку 8 секции канала на расстоянии 50 см от стенки и на высоте менее 5 см от поверхности воды. Непосредственно на боковой стенке канала противоположной камере размещен матовый экран. Для съемки использованы объективы с фокусными расстояниями 50 и 85 мм (последний с макрокольцом для возможности фокусировки на дистанции меньше 1 м), масштабы изображений от 55 до 119 мкм/пиксель, скорость съемки 10 000 к/с. Для скоростей ветра от 14 до 24 м/с получены детальные боковые записи особенностей поверхности длительностью менее секунды - при сохранении записей с камеры выбирались только части, содержащие моменты генерации брызг.

Для получения статистических данных о событиях на поверхности, приводящих к генерации брызг, проводилась съемка с использованием вертикального теневого метода (см. Рис. 1б). Съемка проводилась через прозрачную верхнюю стенку канала в 7 секции (длина разгона 6,5 м). Камера располагалась вертикально на удалении от 104 до 207 см от поверхности воды. При этом для уменьшения проявления на получаемых изображениях волн с малым уклоном достигалась максимально возможная однородность засветки за счет удаления подводных фонарей от экрана в системе подводной подсветки. Была исследована зависимость качества получаемого изображения от расположения элементов подсветки. Выявлено, что наилучшее качество изображения достигается при максимальном удалении подводных фонарей от матового экрана, что, однако, приводит к значительному снижению яркости получаемых изображений при использовании широкого поля съемки (более 10 см). При основной серии экспериментов использован объектив с фокусным расстоянием 85 мм и минимальным диафрагменным числом 1.4, при этом для увеличения глубины резкости в зависимости от амплитуды волн диафрагменное отверстие прикрывалось. Съемка проводилась при скоростях 4500 и 10 000 к/с с масштабами 256 и 124 мкм/пиксель соответственно в широком диапазоне скоростей ветра (14 - 24 м/с). Получены записи длительностью до 8 секунд.

(а)

(б)

Рис. 1. Схемы проведенных экспериментов при горизонтальном теневом методе (а) и вертикальном теневом методе (б).

3. Анализ изображений и классификация механизмов образования брызг

Теневые фотографии типичных событий, приводящих к генерации капель, показаны на Рис. 2, и можно предложить их следующую классификацию.

1) Дробление жидких "пальцев" (Рис. 2а).

В работе [4] было обнаружено, что в районе гребней обрушающихся волн развиваются небольшие выступы воды, которые затем растягиваются в «пальцы» и разрываются на капли. В наших наблюдениях дробление каждого такого объекта приводит к генерации одной-двух капель диаметрами несколько миллиметров.

2) Разрыв подводных пузырей (Рис. 2б).

Подводные пузыри, формирующиеся у гребней обрушающихся волн, всплывают из-за положительной плавучести и разрываются при достижении поверхности воды, генерируя брызги. Детальная модель этого явления была разработана в [5]. До последнего времени это явление считалось основным механизмом генерации брызг [5]. Однако, наши видеозаписи неожиданно продемонстрировали его сравнительно низкую эффективность: только около 5% наблюдаемых больших подводных пузырей достигало поверхности и лопались с образованием брызг.

3) Дробление типа "парашют" (Рис. 2в).

Это явление начинается с появления мелкомасштабного возвышения водной поверхности, затем развивающегося в «микро-парус», который затем раздувается в «парашют», представляющий собой мембрану из водной пленки, окруженную более толстым «ободком», и разрывается, образуя сотни брызг. В инженерной гидродинамике [7] этот механизм известен как режим дробления жидкости в газовом потоке типа "парашют". Ранее такой режим генерации брызг в лабораторном канале был описан в [6], однако его значимость в ураганных условиях не обсуждалась.

project

(а)

bubble

(б)

bag

(в)

Рис. 2. Фотографии событий, сопровождающих генерацию брызг (а) дробление жидких "пальцев" (вид сверху); (б) разрыв подводных всплывающих пузырей; (в) формирование и разрыв «парашюта» (вид сбоку).

4. Заключение

На Ветро-волновом канале Большого термостратифицированного бассейна ИПФ РАН выполнены эксперименты по изучению механизмов генерации брызг при ураганном ветре с помощью теневой подсветки и высокоскоростной видеосъемки с нескольких ракурсов. Построена классификация механизмов дробления, приводящих к брызгам. Анализ последовательности кадров высокоскоростного видео показал, что основным механизмом генерации капель в приводном слое атмосферы при штормовом и ураганном ветре является дробление типа «парашют». Активация этого процесса происходит при скорости ветра приблизительно 20 м/с, что соответствует скорости ветра 8 баллов по шкале Бофорта. Более подробно результаты работы описаны в [8].

Благодарности

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (№14-07-0667), расчет статистики капель выполнен О.С. Ермаковой при поддержке РФФИ (грант 16-05-00839), программное обеспечение разработано А.А. Кандауровым при поддержке гранта Президента МК-2041.2017.5.

Список литературы

1. Andreas E. L., Emanuel K. A. Effects of Sea Spray on Tropical Cyclone Intensity. J. Atmos. Sci. 58, 3741–3751 (2001).

2. Andreas E. L. A review of spray generation function for the open ocean in Atmosphere-Ocean Interactions Volume 1 (ed. Perrie, W.) 1–46 (WIT Press, Billerica, Mass, 2002).

3. Troitskaya Y. I. et al. Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions. J. Geophys. Res. Ocean. 117, С00J21–n/a, doi:10.1029/2011JC007778 (2012).

4. Koga M. Direct production of droplets from breaking wind-waves —its observation by a multi-colored overlapping exposure photographing technique. Tellus 33, 552–563, doi:10.3402/tellusa.v33i6.10776 (1981)

5. Lhuissier H., Villermaux E. Bursting bubble aerosols. J. Fluid Mech. 696, 5-44, doi:10.1017/jfm.2011.418 (2012).

6. Veron F., Hopkins C., Harrison E. L., Mueller, J. A. Sea spray spume droplet production in high wind speeds. Geophys. Res. Lett.39, L16602–n/a, doi:10.1029/2012GL052603 (2012).

7. Gelfand B. E. Droplet breakup phenomena in flows with velocity lag. Prog. Energ. Combust. Sci. 22, 201–265, doi:10.1016/S0360-1285(96)00005-6 (1996).

8. Troitskaya Y., Kandaurov A., Ermakova O., Kozlov D., Sergeev D., Zilitinkevich S. Nature Sci Rep. 2017 May 9;7(1):1614. doi:10.1038/s41598-017-01673-9

INVESTIGATION OF THE MECHANISMS OF SPRAY GENERATION INDUCED BY WIND-WAVE INTERACTION USING SHADOW TECHNIQUE

A.A. Kandaurov, D.A. Sergeev, O.S. Ermakova, Yu.I. Troitskaya

Institute of applied physics RAS, Russian Federation

E-mail: daniil@hydro.appl.sci-nnov.ru

Abstract

The paper presents the results of investigations of the mechanisms of spray of droplets generation by breaking waves obtained within laboratory modeling of wind-wave interaction on the High-speed wind-wave channel of the IAP RAS. For the research, a multi-angle high-speed video system was used together shadow method, including underwater illumination. The results allowed us to classify the mechanisms leading to the formation of droplets.