Анализ процесса генерации воздушных вихрей при различных режимах нагрева

Существует принципиальная возможность генерации свободных нестационарных тепловых вихрей без использования механических закручивающих устройств. Исследована возможность интенсификации процесса генерации свободных концентрированных воздушных вихрей путем увеличения температурной неустойчивости воздуха. Генерация вихрей осуществлялась над подстилающей поверхностью (лист алюминия) за счет создания неустойчивой стратификации воздуха при его нагреве снизу. Разработана простая экспериментальная установка, позволяющая изменять градиент температуры воздуха в вертикальном направлении. Проведена серия экспериментов при создании температурной стратификации путем одновременного нагрева воздуха снизу и его охлаждения сверху. Нагрев воздуха осуществлен контролируемым нагревом подстилающей поверхности с помощью газовой горелки. Охлаждение воздуха проведено с использованием сухого льда, располагаемого сверху над подстилающей поверхностью. Динамика вихрей и их интегральные параметры (видимая высота, диаметр) определены путем видеосъемки. Покадровый анализ видеозаписей позволил провести качественный анализ пространственно-временной структуры нестационарных вихревых образований. Сделан вывод об интенсификации процесса вихреобразования с увеличением вертикального градиента воздуха. Указанный эффект проявлялся в виде увеличения среднего числа наблюдаемых вихрей за один эксперимент, а также в росте их интенсивности (характерной скорости, геометрии) и устойчивости (времени жизни)

Литература

[1] Alekseenko S.V., Kuibin P.A., Okulov V.L. Theory of concentrated vortices: An introduction. Berlin: Springer, 2007. 494 p.

[2] Varaksin A.Yu., Romash M.E., Kopeitsev V.N. Tornado. New York: Begell House, 2015. 394 p.

[3] Davies-Jones R. A review of supercell and tornado dynamics // Atmospheric Research. 2015. Vol. 148–149. P. 274–291. DOI: 10.1016/j.atmosres.2014.04.007

[4] Refan M., Hangan H., Wurman J., Kosiba K. Doppler radar-derived wind field of five tornado events with application to engineering simulations // Engineering Structures. 2017. Vol. 148. P. 509–521. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.06.068

[5] Panesar N.K., Innes D.E., Tiwari S.K., Low B.C. A solar tornado triggered by flares // Astronomy and Astrophysics. 2013. Vol. 549. Paper A105.

[6] Are giant tornadoes the legs of solar prominences? / S. Wedemeyer, E. Scullion, L.R. van der Voort, A. Bosnjak, P. Antolin // Astrophysical Journal. 2013. Vol. 774. No. 2. P. 15. DOI: 10.1088/0004-637X/774/2/123

[7] Solar magnetized tornadoes: Rotational motion in a tornado-like prominence / Y. Su, P. Gomory, A. Veronig, M. Temmer, T.J. Wang, K. Vanninathan, W. Gan, Y.P. Li // Astrophysical Journal Letters. 2014. Vol. 785. No. 1. P. 6. DOI: 10.1088/2041-8205/785/1/L2

[8] Levens P.J., Labrosse N., Fletcher L., Schmieder B. A Solar Tornado Observed by EIS plasma diagnostics // Astronomy and Astrophysics. 2015. Vol. 582. Paper A27.

[9] Ward N.B. The exploration of certain features of tornado dynamics using laboratory model // J. Atmospheric Sciences. 1972. Vol. 29. No. 9. P. 1194–1204.

[10] Haan F.L. Jr., Sarkar P.P., Gallus W.A. Design, construction and performance of a large tornado simulator for wind engineering applications // Engineering Structures. 2008. Vol. 30. Iss. 4. P. 1146–1159. DOI: 10.1016/j.engstruct.2007.07.010

[11] Case J., Sarkar P., Sritharan S. Effect of low-rise building geometry on tornado-induced loads // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2014. Vol. 133. P. 124–134. DOI: 10.1016/j.jweia.2014.02.001

[12] Noda M., Ninomiya M., Nagao F. Development of a new tornado simulator with multi-fan and multi-vane // Journal of Wind Engineering. 2014. Vol. 39. No. 1. P. 13–16.

[13] Wang J., Cao S., Pang W., Cao J. Experimental study on effects of ground roughness on flow characteristics of tornado-like vortices // Boundary-Layer Meteorology. 2017. Vol. 162. Iss. 2. P. 319–339. DOI: 10.1007/s10546-016-0201-6

[14] Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeitsev V.N., Gorbachev M.A. Experimental study of wall-free non-stationary vortices generation due to air unstable stratification // Int. J. Heat Mass Transfer. 2012. Vol. 55. Iss. 23-24. P. 6567–6572. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.06.063

[15] Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeitsev V.N. Effect of net structures on wall-free non-stationary air heat vortices // Int. J. Heat Mass Transfer. 2013. Vol. 64. P. 817–828. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.05.008

[16] Dermer P.B., Varaksin A.Y., Leontiev A.I. The wall-free non-stationary fire whirls generation by axisymmetric burning of solid fuel pellets // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. Vol. 110. P. 890–897. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.03.076