Восходящие закрученные потоки
Восходящие закрученные потоки — класс газодинамических течений в атмосфере, при которых восходящее движение воздуха сочетается с вращением вокруг приблизительно вертикальной оси. К этому классу относят природные атмосферные вихри, такие как торнадо, огненный смерч и крупномасштабные тропические циклоны.[1][2]
В российской научной школе под руководством профессора С.П. Баутина разработана газодинамическая теория восходящих закрученных потоков, в которой их образование объясняется действием силы Кориолиса, связанной с вращением Земли вокруг своей оси.[3][4] Эта теория опирается на решения системы уравнений газовой динамики и подтверждается численными расчётами и лабораторными экспериментами.[5][6][7]
Физическая природа восходящих закрученных потоков[править]
Восходящие закрученные потоки в атмосфере формируются на основе конвективных восходящих течений тёплого воздуха, нагретого Солнцем. В начальной стадии такие течения представляют собой обычные подъёмные конвективные потоки и не обладают выраженной опасностью.[1][2] При достаточно длительном существовании потока и при наличии относительно ровной подстилающей поверхности (суши или водной) в системе начинает проявляться влияние силы Кориолиса, что приводит к закрутке придонной части восходящего потока и формированию вращающегося столба воздуха.[3]
Согласно работам С. П. Баутина и его соавторов, сила Кориолиса в таких условиях способна разогнать окружное движение воздуха до скоростей порядка десятков и сотен метров в секунду.[1][2] При этом вертикальное восходящее движение сочетается с вращением вокруг оси потока, что и образует характерную структуру атмосферного вихря.
Газодинамическая теория С.П. Баутина[править]
Газодинамическая теория восходящих закрученных потоков, развиваемая в работах С.П. Баутина и его школы, основана на исследовании решений нелинейной системы уравнений в частных производных, выражающих законы сохранения массы, импульса и энергии для сжимаемого вязкого теплопроводного газа с учётом вращения Земли вокруг своей оси.[6][7][4]
Численное моделирование трёхмерных нестационарных течений в рамках этой системы показывает, что учёт только газодинамических процессов и вращения Земли позволяет описывать основные свойства природных восходящих закрученных потоков воздуха без привлечения дополнительных источников закрутки.[5][7][4] В теории рассматриваются, в частности, вопросы происхождения закрутки газа и источников кинетической энергии вращательного движения воздуха.[2][3]
В работах Баутина формулируется вывод о том, что непосредственной причиной возникновения и поддержания закрутки воздуха в таких потоках является сила Кориолиса, а кинетическая энергия вращательного движения воздуха трактуется как производная от кинетической энергии вращения Земли вокруг своей оси.[1][3][4] Эти выводы сопоставляются с результатами детальных трёхмерных нестационарных расчётов рассматриваемых течений.[5][7]
Теория также описывает связь направления вращения воздуха в вихревых образованиях с направлением вращения Земли и расположением вихря в северном или южном полушариях.[1][3]
Экспериментальные исследования[править]
Лабораторные эксперименты, иллюстрирующие газодинамическую теорию восходящих закрученных потоков, выполняются с начала теоретических исследований этой школы.[8][9] В этих работах создавались модельные восходящие закрученные потоки воздуха в лабораторных условиях и проводились измерения их скоростных характеристик.
Одним из вариантов установки для визуализации восходящего закрученного потока является прозрачная вертикальная труба призматической формы, установленная на основании с зазором, через который в нижнюю часть объёма подсасывается воздух. На дне трубы размещается кювета с лёгкими пластмассовыми шариками, выполняющими роль индикаторов движения воздуха. В верхней части конструкции монтируется вытяжной вентилятор, создающий вертикальный сток воздуха через трубу.[8][9]
Для исключения прямого влияния направления вращения вентилятора на движение воздуха внутри трубы используется съёмная перегородка с отверстиями. При работе установки без перегородки шарики внутри трубы вращаются в сторону, соответствующую направлению вращения лопастей вентилятора. При опускании перегородки влияние вращения вентилятора на внутренний поток уменьшается, и направление вращения шариков определяется действием силы Кориолиса.[8][9] В опытах, проводимых в Северном полушарии, при наличии перегородки наблюдается вращение частиц против хода часовой стрелки, а при её отсутствии — по ходу часовой стрелки, в соответствии с направлением вращения вентилятора.
После отключения вентилятора вертикальный сток прекращается, радиальная составляющая скорости воздуха в трубе исчезает, и через некоторое время движение частиц останавливается. В интерпретации авторов, характер затухания вращения также связан с действием силы Кориолиса при изменении структуры потока.[3][4]
Отдельные эксперименты проводились, в частности, в городе Снежинск Челябинской области с участием сотрудников ООО «Современные энергетические технологии», где были реализованы установки с различной геометрией трубы и условиями подвода воздуха.[8][9]
Предлагаемые технические применения[править]
На основе газодинамической теории восходящих закрученных потоков и результатов численного моделирования в работах Баутина обсуждаются возможные направления практического использования подобных установок.[1][2][4]
Одно из предложений связано с идеей снижения интенсивности или разрушения тропических циклонов за счёт внешнего воздействия на вертикальную структуру потока. Согласно численному моделированию, при отсутствии или существенном ослаблении вертикального движения воздуха вращение газа в рамках теории должно прекращаться, что рассматривается как основание для разработки методов искусственного воздействия на тропические циклоны с ограниченными энергетическими затратами.[1][2][4][10]
Другое направление связано с использованием искусственно создаваемых восходящих закрученных потоков в качестве потенциального источника электрической энергии. В ряде работ рассматривается концепция вихревого энергогенератора, представляющего собой вертикальную трубу, в которой формируется восходящий поток воздуха, закрученный под действием силы Кориолиса. Предполагается, что при размещении внутри такой трубы лопастного генератора возможно преобразование части кинетической энергии вращательного движения воздуха, связанной с вращением Земли вокруг своей оси, в электрическую энергию.[2][3][4][8][9]
См. также[править]
Примечания[править]
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Баутин С. П. Торнадо и сила Кориолиса. — Новосибирск: Наука, 2008. — 80 с.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Баутин С. П., Крутова И. Ю., Обухов А. Г., Баутин К. В. Разрушительные атмосферные вихри: теоремы, расчёты, эксперименты. — Новосибирск: Наука; Екатеринбург: УрГУПС, 2013. — 216 с.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Баутин С. П., Дерябин С. Л., Крутова И. Ю., Обухов А. Г. Разрушительные атмосферные вихри и вращение Земли вокруг своей оси. — Екатеринбург: УрГУПС, 2017. — 336 с.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 Баутин С. П., Крутова И. Ю., Обухов А. Г. Газодинамическая теория восходящих закрученных потоков. — Екатеринбург: УрГУПС, 2020. — 399 с.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 Баутин С. П., Обухов А. Г. Математическое моделирование разрушительных атмосферных вихрей. — Новосибирск: Наука, 2012. — 152 с.
- ↑ 6,0 6,1 Баутин С. П., Крутова И. Ю. Аналитическое и численное моделирование течений газа при учёте действия силы Кориолиса. — Екатеринбург: УрГУПС, 2019. — 182 с.
- ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 Баутин С. П., Обухов А. Г. Численное моделирование трёхмерных нестационарных течений сжимаемого вязкого теплопроводного газа. — Екатеринбург: УрГУПС, 2020. — 287 с.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 Баутин К. В., Баутин С. П., Макаров В. В. Экспериментальное подтверждение возможности создания потока воздуха, закрученного силой Кориолиса // Вестник УрГУПС. — 2013. — №2 (18). — С. 27–33.
- ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 Баутин С. П., Макаров В. В. Создание потока воздуха, закрученного силой Кориолиса при использовании трубы двухметрового диаметра // Вестник УрГУПС. — 2016. — №4 (32). — С. 39–45.
- ↑ Баутин С. П., Замыслов В. Е., Обухов А. Г. Численное моделирование разрушения тропического циклона внешним воздействием с разумными энергетическими характеристиками // Вестник национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». — 2021. — Т.10, №6. — С. 550–557.
Литература[править]
- Баутин С. П. Торнадо и сила Кориолиса. — Новосибирск: Наука, 2008. — 80 с.
- Баутин С. П., Обухов А. Г. Математическое моделирование разрушительных атмосферных вихрей. — Новосибирск: Наука, 2012. — 152 с.
- Баутин С. П., Крутова И. Ю., Обухов А. Г., Баутин К. В. Разрушительные атмосферные вихри: теоремы, расчёты, эксперименты. — Новосибирск: Наука; Екатеринбург: УрГУПС, 2013. — 216 с.
- Баутин С. П., Дерябин С. Л., Крутова И. Ю., Обухов А. Г. Разрушительные атмосферные вихри и вращение Земли вокруг своей оси. — Екатеринбург: УрГУПС, 2017. — 336 с.
- Баутин С. П., Крутова И. Ю. Аналитическое и численное моделирование течений газа при учёте действия силы Кориолиса. — Екатеринбург: УрГУПС, 2019. — 182 с.
- Баутин С. П., Обухов А. Г. Численное моделирование трёхмерных нестационарных течений сжимаемого вязкого теплопроводного газа. — Екатеринбург: УрГУПС, 2020. — 287 с.
- Баутин С. П., Крутова И. Ю., Обухов А. Г. Газодинамическая теория восходящих закрученных потоков. — Екатеринбург: УрГУПС, 2020. — 399 с.
- Баутин К. В., Баутин С. П., Макаров В. В. Экспериментальное подтверждение возможности создания потока воздуха, закрученного силой Кориолиса // Вестник УрГУПС. — 2013. — №2 (18). — С. 27–33.
- Баутин С. П., Макаров В. В. Создание потока воздуха, закрученного силой Кориолиса при использовании трубы двухметрового диаметра // Вестник УрГУПС. — 2016. — №4 (32). — С. 39–45.
- Баутин С. П., Замыслов В. Е., Обухов А. Г. Численное моделирование разрушения тропического циклона внешним воздействием с разумными энергетическими характеристиками // Вестник национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». — 2021. — Т.10, №6. — С. 550–557.