Обзор и анализ исследований тепломассообмена в стратифицированной морской воде в условиях термической конвекции
Опубликовано: 16.07.2013
Авторы: Крылов Д.А., Сидняев Н.И., Ильина Ю.С., Федотов А.А.
Опубликовано в выпуске: #2(14)/2013
DOI: 10.18698/2308-6033-2013-2-612
Раздел: Прикладная математика
Представлены результаты исследований, связанных с изучением изменения плотности воды при низких температурах. Рассмотрен тепломассоперенос в условиях термической конвекции под действием выталкивающей силы при отсутствии градиентов концентрации. Выявлены причины возникновения изменения направления выталкивающей силы, определены двумерные профили скорости и обнаружена инверсия конвекции, обусловленная экстремумом плотности. Получена зависимость плотности воды от температуры и начальные оценки ряда характерных величин. Определены уровень скоростей нижнего предела коэффициентов переноса, граница между режимами процесса, начальная геометрическая конфигурация различных течений. Отмечено, что в однофазной жидкости в связи с быстрым изменением плотности в вертикальном направлении возникают волноподобные движения, например в термоклиньях, находящихся в объеме жидкости. Показано, что условия, наложенные на температуру погруженной в покоящуюся окружающую среду поверхности и саму среду, отличаются настолько, что в области диффузионной теплопередачи вязкость и теплопроводность жидкости заметно изменяются.
Литература
[1] Баранов Е.И. Структура и динамика вод систем Гольфстрима. Москва, Гидрометеоиздат, 1988, 252 с.
[2] Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. Москва, Наука, 1976, 536 с.
[3] Грянник В.М. Динамика локализованных вихревых возмущений «вихревых зарядов» в бароклинной жидкости. Известия АН СССР. ФАО, 1983, т. 19, вып. 5, с. 467–475
[4] Carey V. P., Gebhart В. Transport at Large Downstream Distances in Mixed Convection Flow Adjacent to a Vertical Uniform-Heat-Flux Surface. Int. J. of Heat and Mass Transfer, 1982, vol. 25, no. 2, pp. 255–266
[5] Гебхарт Б., Джалурия Й., Махаджан Р., Саммакия Б. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен. В 2 кн. Кн. 1. Москва, Мир, 1991, 678 с.
[6] Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Москва, Наука, Физматлит, 1987, 840 с.
[7] Carey V. P., Gebhart В., Mollendorf J. C. Buoyancy Force Reversals for Vertical Natural Convection Flows in Cold Water. Journal of Fluid Mechanics, 1980, vol. 97, pp. 279–297
[8] Chen С.Т., Millero F.J. The Specific Volume of Sea Water at High Pressure. Deep-Sea Research, 1976, vol. 23, no. 7, pp. 595–612
[9] Гурченков А.А. Динамика завихренной жидкости в полости вращающегося тела. Москва, Физматлит, 2010, 221 с.
[10] Cormack D.E., Leal L. G, Seinfeld J. H. Natural Convection in a Shallow Cavity with Differentially Heated end Walls, Part 2. Numerical solutions. J. of Fluid Mechanics, 1974, vol. 65, pp. 231–246
[11] Doherty В.Т., Kester D.R. Freezing Point of Seawater. J. Mar. Res, 1974, vol. 32, pp. 285–300
[12] Ильичев А.Т. Уединенные волны в моделях гидромеханики. Москва, Физматлит, 2003, 256 с.
[13] Ингель Л.Х. Механизм конвективной неустойчивости бинарной смеси, нагреваемой сверху. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2002, т. 122, № 5, с. 1019–1021
[14] Гершуни Г.З., Жуховиций Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. Москва, Наука, 1972, 392 с.
[15] El-Hawary M. A. Effect of Combined Free and Forced Convection on the Stability of Flow in a Horizontal Tube. Journal of Heat Transfer, 1980, vol. 102, no. 2, pp. 273–278
[16] Сидняев Н.И., Крылов Д.А. Метод расчета массовой кристаллизации многофазных реологических сред. Материалы четвертой конференции геокриологов России. МГУ им. М.В. Ломоносова, 7–9 июня 2011 г., т. 1, ч. 1. Физико-химия, теплофизика и механика мерзлых пород. Москва, Университетская книга, 2011, с. 129–136
[17] Сидняев Н.И. Теория фазовых переходов и статистические явления механики наноструктурированных веществ. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2010, Специальный выпуск «Наноинженерия», с. 9–22
[18] Fine R.A., Millero F J. The Compressibility of Water as a Function of Temperature and Pressure. J. Chem. Phys, 1973, vol. 59, pp. 5529–5536
[19] Савин А.С. Установление поверхностных волн, вызываемых гидродинамическими особенностями в плоском потоке. Изв. РАН. Механика жидкости и газа, 2002, № 3, с. 78–71
[20] Кутепов А.М., Полянин А.Д., Запрянов З.Д., Вязьмин А.В., Казенин Д.А. Химическая гидродинамика, Справочное пособие. Москва, Квантум, 1996, 336 с.
[21] Уильсон Н.В., Вайас Б.Д. Профили скорости вблизи вертикальной поверхности бруска льда, тающего в пресной воде. Труды амер. о-ва инж.- мех. Сер. С. Теплопередача, 1979, № 2, с. 145
[22] Fujino K., Lewis E. L., Perkin R. G. The Freezing Point of Seawater at Pressures up to 100 Bars. Journal of Geophysical Research, 1974, vol. 79, no. 12, pp. 1792–1797
[23] Савин А.С. Гидродинамические особенности в потоках со свободной границей. Прикладная математика и механика, 1991, № 3, с. 542–544
[24] Gebhart В. Natural Convection Flow and Stability. Adv. Heat Transfer, 1973, vol. 9, pp. 273–348
[25] Gebhart В., Mollendorf J.C. A New Density Relation for Pure and Saline Water. Deep-Sea Research, 1977, vol. 24, pp. 831–841
[26] Gebhart В., Mollendorf J.C. Buoyancy-Induced Flows in Water under Conditions in which Density Extrema May Arise. Journal of Fluid Mechanics, 1978, vol. 89, pp. 673–707
[27] Сидняев Н.И. Федотов А.А., Мельникова Ю.С. Численное решение уравнения переноса энергии и импульса для многофазных сред. Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2009). Материалы VIII Всероссийской науч.-практ. конф. с международным участием. 12–13 ноября 2009 г., Томск, Изд-во Томского ун-та, 2009, ч. 2, с. 277–281
[28] Сидняев Н.И., Федотов А.А., Крылов Д.А. Интегральный метод в задачах математического моделирования распределения температурных полей. Сборник докладов IV Всероссийской молодежной научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование». 19–22 апреля 2010 г., ФГБОУ ВПО СарФТИ НИЯУ МИФИ. Саров, 2010, с. 72–76
[29] Сидняев Н.И., Крылов Д.А., Ильина Ю.С. Исследование движения многофазных и многокомпонентных систем в пористой среде. Сборник докладов IX научно-технической конференции «Молодежь в науке». 26–28 ноября 2010 г., ФГБОУ ВПО СарФТИ НИЯУ МИФИ. Саров, 2010, с. 55–65
[30] Булгаков Н.П. Конвекция в океане. Москва, Наука, 1975, 272 с.
[31] Castro I.P. A Note on Lee Wave Structures in Stratified Flov over Threedimensional Obstacles. Tellus A, 1987, vol. 39, pp. 72–81
[32] Guo B., Xia Z. An Analytical Model of Upwelling Induced by Tidal Current past a Peninsula. Ocean hidrodynamics of the Japan and East China Seas. Ed. T. Ichiye. Amsterdam, Elsevier, 1984, pp.123–142
[33] Боуден K. Физическая океанография прибрежных вод. Москва, Мир, 1988, 324 с.
[34] Soundalgekar V.M. Laminar Free Convection Fow of Water at 4 C from a Vertical Fat Plate with Variable Wall Temperature. Chem. Eng. Sci, 1973, vol. 28, no. 1, pp. 307–330
[35] Ингель Л.X. Возмущения сдвигового течения, вызванные взаимодействием с конвективными валами. Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2006, № 3, с. 34–38
[36] Ингель Л.X. Об условиях конвективной неустойчивости в верхнем слое жидкого раствора. Журнал технической физики, 2001, т. 71, № 1, с. 128–139
[37] Калашник М.В., Ингель Л.X. Геострофическое приспособление и фронтогенез в стратифицированных двухкомпонентных средах. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2006, т. 42, № 4, с. 554–565
[38] Pramanik A.K., Majudar S.R. Capillary-Gravity Waves Generated in a Viscous Fluid. Pfys. Fluids, 1985, vol. 28, no. 1, pp. 46–51
[39] Сидняев Н.И., Аникин А.Ю., Бояринцева Т.Е. Математическая модель осесимметричного вихревого движения. Наука и образование, 2012, № 2. URL: http://www.technomag.edu.ru/77-30569/318125.html (дата обращения: 05.02.2012)
[40] Жмур В.В. Мезомасштабные вихри океана. Москва, ГЕОС, 2011, 289 с.
[41] Roy S. Free Convection in Liquids under Maximum Density Conditions. Indian J. Phys, 1972, vol. 46, pp. 245–249
[42] Гласко А.В., Калмыков А.М., Сидняев Н.И., Спиридонов П.В. Прогнозирование температурного режима грунтов оснований зданий и сооружений в условиях линзовой мерзлоты. Вестник МГТУ. Сер. Естественные науки, 2012. Специальный выпуск № 7, с. 142–154
[43] Gitterman M. Hydrodynamics of Compressible Liquids: Influence of the Piston Effect on Convection and Internal Gravity Waves. Phisica. A., 2007, vol. 386, pp. 1–11
[44] Булатов В.В., Владимиров Ю.В. Динамика негармонических волновых пакетов в стратифицированных средах. Москва, Наука, 2010, 470 с.