< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Турбулентність

Турбулентність – це явище, що спостерігається в течії рідин або газів та яке полягає в утворенні в цих течіях чисельних вихрів різних розмірів, внаслідок чого такі характеристики як швидкість, температура, тиск, густина зазнають хаотичних флуктуацій та відповідних нерегулярних змін у просторі та часі. Цим турбулентні течії відрізняються від ламінарних.

Завдяки великій інтенсивності турбулентного перемішування відбувається підвищена здатність течії до перенесення кількості руху, теплоти, маси (частинок).

Граничний шар атмосфери

Турбулентність регулярно відбувається у відносно тонкому шарі атмосфери, який називається граничним шаром. Розміри турбулентного шару коливаються від 100 м уночі та до 4000 м удень.

Турбулентність супроводжується появою флуктуацій або вихрів – потоків повітря, які можуть мати напрямок, протилежний до основного потоку, особливо під час кругового руху. Отже, повітряний потік може бути представлений як горизонтальний потік численних кругових вихрів, які поширюються у тривимірному просторі і мають, таким чином, вертикальну компоненту.

Ці вихори беруть участь у перенесенні теплоти, води, імпульсу тощо в атмосфері.

Якщо порція повітря, що відповідає одному рівню, даній температурі та імпульсу, переходить на інший рівень, цей перехід супроводжується також перенесенням теплоти та імпульсу на новий рівень. Це явище аналогічно дифузійному процесу в газах.

Процес перенесення теплоти, маси та імпульсу з одного рівня на другий характеризується потоком відповідної величини, який можна оцінити як добуток флуктуацій температури, горизонтальної компоненти вітру або маси на вертикальну компоненту вітру.

Незважаючи на хаотичний характер повітряного потоку такого типу, його параметри можна оцінити за допомогою методу вихрової коваріації.

Метод вихрової коваріації

Коваріація – це статистичне вимірювання кореляції між флуктуаціями двох різних величин. Коваріація визначає ступінь, з яким обидві величини змінюються разом.

Метод вихрової коваріації використовують для оцінювання атмосферних потоків Н2О, СО2, аерозолів, імпульсу, відчутної та латентної теплоти, що переносяться в атмосферному граничному шарі у вертикальному напрямку [Prandtl, 1920; Desjardins, 1972; Ohtaki and Matsui, 1982; Shimizu, 2007; Burba and Anderson, 2010]. Ситуація здається хаотичною, але вертикальний рух імпульсу, теплоти, води та ін. в атмосфері можна оцінити за допомогою веж.

Розглянемо швидкість вітру з горизонтальною и та вертикальною υ компонентами

(13.1)

де та – середні значення компонентів швидкості вітру, а та – флуктуації цих компонентів.

Коваріація між двома змінними величинами та визначається так:

(13.2)

де п – кількість змінних.

Підставляючи (13.1) у (13.2), одержимо:

(13.3)

Розглянемо правила усереднення Рейнольдса.

Якщо А і В змінюються, а с – стала, то:

Тоді

(13.4)

Застосуємо правила усереднення Рейнольдса для швидкості вітру з горизонтальною и та вертикальною о компонентами. Відповідно цим правилам середні за часом значення будь-яких компонентів флуктуацій дорівнюють нулю:

(13.5)

Середнє значення вертикальної швидкості вітру також дорівнює нулю:

(13.6)

Потік величини характеризує, скільки цієї величини переноситься через одиницю площі за одиницю часу. Потік залежить від кількості величини, розмірів площі, через яку переноситься величина, часу перенесення величини.

Граничний шар є турбулентним по всій глибині, отже всі фізичні величини, такі як маса (наприклад, концентрації Н2О або СО2, аерозолів), теплота та імпульс переносяться у вертикальному напрямку. Саме метод вихрової коваріації дозволяє вимірювати потоки величин у граничному шарі.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >