Сооружение для активного воздействия на вихревые атмосферные образования

Изображения

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано для борьбы с крупномасштабными вихревыми атмосферными образованиями. Сооружение выполнено в виде несущей центральной опоры со смонтированной на ней горизонтально расположенной дискообразной центрально-симметричной конструкцией с вертикальными каналами. Каналы имеют форму шестигранников с образованием сот для обеспечения возврата приземных потоков воздуха основному вихрю и расположены в гексагональном порядке. Размер дискообразной конструкции составляет 100-120 м. Длина канала определяется как корень квадратный из размера конструкции. Высота расположения верхней границы сооружения составляет 25-30 м. Такое конструктивное выполнение позволит повысить эффективность борьбы с крупномасштабными вихревыми атмосферными образованиями. 11 ил.

Изобретение относится к средствам активного воздействия на атмосферу, находящуюся в состоянии вихревого движения.

Уровень техники.

Известно (Наливкин Д.В. Смерчи. - М: Наука, 1984. 112 с.) такое природное явление, как смерч, торнадо или тромб. Эти названия объединяют один физический процесс - вихревое мелкомасштабное по сравнению с циклонами и мезоциклонами спиралевидное восходящее к верхним слоям атмосферы движение воздуха. Смерч приносит многочисленные разрушения и сопровождается гибелью людей и животных.

Известен (Росс Хоффман. Повелевать ураганами. Журнал "В мире науки", №1, 2005. http://www.sciam.ru/2005/1/meteo.shtml) ряд средств борьбы с атмосферными вихрями, суть которых заключается в том, чтобы разрушить атмосферный крупномасштабный вихрь с помощью дополнительных затрат материальных, энергетических, трудовых и пр. ресурсов.

Во всех случаях оказывается, что величина затрат должна быть сопоставима с запасами энергии в атмосферном вихре - это, например, взрывы в завихренной атмосфере вихря, подогрев атмосферы, охлаждение водной поверхности океана, охлаждение стенки ядра вихря, называемого "глаз вихря", что крайне расточительно для человечества. Вместе с высокозатратными предложениями есть и изначально экологически вредные - это, например, искусственные пленки на морской или океанской поверхности, ядерный взрыв или вещества с высокой гидрофильностью, распыляемые в атмосфере.

В нашей разработке (патент №2251835) предложен "Способ возврато-вихревого турбулентного подавления крупномасштабного синоптического вихреобразования". Предлагаемое изобретение является устройством-сооружением по этому способу.

В нашем способе (патент №2251835) для подавления атмосферного вихря использовалась энергия самого вихря на создание группы вторичных возвращаемых вихрей, энергия которых затрачивается на взаимодействие с основным вихрем. Это приводит к принудительному уменьшению энергии главного вихря, приводящему, в частности, к нарушению условий возникновения торнадо, в результате чего он не образуется или разрушается.

Для реализации способа использовалось устройство решетка в виде кругового цилиндра с группой коаксиальных круговых цилиндрических каналов, расположенных в гексагональном порядке, с заполнением S=1-F1/F2=0,8, где F1 - общая площадь сечения каналов, a F 2 - полная площадь сечения решетки. Отношение высоты h цилиндрического тела решетки к ее диаметру d равнялось 0,1.

В использованном варианте устройство, предназначенное для формирования возвращаемых вихревых потоков, допускает улучшение в вопросах снижения общего сопротивления устройства возвращаемым потокам, оптимизации самой формы каналов, толщины и общего внешнего размера устройства-сооружения.

Технический результат повышения эффективности устройства-сооружения достигается применением шестигранной формы каналов, образующих в совокупности тело в виде сот, сооруженное в виде осесимметричной конструкции, имеющей центральную опору, как показано на фиг.1. Внешний размер сооружения определяется масштабом ядра атмосферного вихревого образования, внутренний размер - поперечный размер каналов - определяется как квадратный корень из внешнего размера сооружения, а высота канала как корень квадратный из размера канала.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обратимся к исходным данным.

1. О смерче известно следующее.

"Смерч (торнадо, тромб) представляет собой атмосферный вихрь малой горизонтальной протяженности (характерный радиус 50-300 м, реже до 1 км) и большой интенсивности.

Он возникает в конвективной ячейке, связанной с грозовым облаком, и имеет вид спускающейся из облака воронки (серии воронок, столба и т.д.). Воронка заполнена воздухом, медленно движущимся вниз. Ее поверхность является почти изобарической.

Смерч сопровождается грозой, дождем, градом и, если воронка достигает земли, то вызывает значительные разрушения.

Торнадо делятся на: слабые - со скоростью ветра до 50 м/с (около 70% всех торнадо); сильные - со скоростью ветра от 50 до 100 м/с (около 28%); и неистовые - со скоростью ветра свыше 100 м/с (˜2%). В сильных и, возможно, в неистовых торнадо восходящий поток поднимается, вращаясь в тонком слое, охватывающем воронку. По некоторым оценкам скорость ветра в торнадо может превышать скорость звука. Высота смерча обычно составляет 800-1500 м. Давление в ядре смерча на 10-15% ниже, чем на его периферии.

Смерч обычно возникает перед холодным фронтом и движется примерно в том же направлении, что и фронт, со скоростью несколько десятков метров в секунду (до 60), проходя за несколько часов своего существования 40-60 км (до 300).

В процессе своего возникновения и формирования смерч связан с циклоном мезомасштаба, т.н. торнадо-циклоном с радиусом 5-25 км, тангенциальной скоростью 15-25 м/с и завихренностью в окрестности смерча порядка 10 -2 с-1.

Смерч обычно образуется вблизи оси вращающегося торнадо-циклона в области между восходящими и нисходящими потоками в тыловой части грозовой ячейки.

Сейчас не вызывает сомнений роль вертикального сдвига ветра в формировании атмосферных вихрей.

Большое количество работ и разнообразие теоретических подходов не разрешают, однако, всех сомнений о роли различных физических процессов в механизме образования и самоподдержания смерча.

Натурные исследования смерчей осложняются, во-первых, большим разнообразием атмосферных вихрей и условий их возникновения, что затрудняет анализ экспериментальных данных, и, во-вторых, относительно малыми пространственными размерами смерча, что не позволяет надежно разрешить структуру восходящих и нисходящих потоков (Прикладная физика, 2001, №1, с.56-61. К вопросу о формировании и геометрических характеристиках смерча. У.Юсупалиев, Е.П.Анисимова, А.К.Маслов, С.А.Шутеев. МГУ. Москва. Россия. http)://www.vimi.ru/applphys/2001/1/f1-8.htm)".

2. О некоторых теоретических представлениях относительно явления турбулентности атмосферы (А.В.Колесниченко, М.Я.Маров. Турбулентность многокомпонентных сред. М., МАИК "Наука", 1999. 336 с.).

Турбулентными называют беспорядочные неустановившиеся движения жидкости (газа), налагающиеся на основное движение среды, которое можно представить как некоторое статистически среднее движение. Такие режимы движения жидкости возникают при потере устойчивости упорядоченного ламинарного движения, когда безразмерное число Рейнольдса Re=VL/ (где V, L - характерные скорость и линейный масштаб течения, - кинематическая вязкость) превосходит некоторое критическое значение Reкр. В более общем смысле турбулентность служит одной из форм проявления многообразия движения гидродинамических систем, обладающих очень большим числом степеней свободы и высокой степенью нелинейности. В такой системе с ростом числа Re образуются новые макроскопические связи и внутренняя (мелкомасштабная, вихревая) структура течения становится полностью хаотической. Вместе с тем, на ее фоне часто возникают крупномасштабные когерентные (почти упорядоченные) вихревые структуры, так что, если возникновение турбулентности характеризует переход от порядка к хаосу, то в развитом турбулентном потоке (при Re>Reкр ) имеет место рождение порядка из хаоса.

В интервале масштабов от миллиметров до тысяч километров l<r<L (где l и L - так называемые внутренний и внешний масштабы турбулентности), охватывающем практически весь спектр динамических процессов в атмосфере, происходит каскадный процесс передачи энергии от крупномасштабных к мелкомасштабным вихревым движениям. Квазистационарный режим существования подобного каскадного механизма в турбулизованной атмосфере Земли характеризуется некоторой приблизительно постоянной (не зависящей от масштаба вихря r) величиной 0 0,0003 м2/с2 , которая, с одной стороны, является скоростью передачи кинетической энергии вихревого вращения от крупных атмосферных вихрей к более мелким вихрям, а с другой стороны, характеризует удельную скорость диссипации турбулентной (кинетической) энергии в тепло за счет молекулярной вязкости, которая происходит в вихрях минимального колмогоровского размера lk= 3/4 0 -1/4· =0.16·10-4 м 2/с - коэффициент молекулярной вязкости атмосферы.

Коэффициент турбулентной вязкости T, отвечающий эмпирическому "закону четырех третей" Ричардсон-Обухова (этот же закон следует также из соображений теории размерностей и подобия) имеет вид

Для волнового числа k=f/V=1/r, где f= /2 - частота колебаний в с-1 или герцах, а - круговая частота и V - средняя скорость потока на рассматриваемом уровне атмосферы, разномасштабных вихрей, выражение (1), разрешенное относительно r, может быть записано в виде

3. О каскадном процессе передачи энергии движения от крупномасштабных к мелкомасштабным вихрям (Т.Е.Фабер. Гидроаэродинамика. М., Постмаркет, 2001. - 560 с.).

При подводе энергии к крупномасштабным движениям, характерный масштаб которых равен, скажем, k0=1/L, а темп этого подвода на единицу массы жидкости равен 0. От крупномасштабных движений непрерывным каскадом идет энергетическая подпитка движений с большими волновыми числами k=1/r, и в итоге - непрерывная диссипация энергии в тепло. Из соображений размерности можно заключить, что стационарный спектр при однородной и изотропной турбулентности может быть записан в виде

Величина диссипации в интервале dk может быть рассчитана: в расчете на единицу массы она по порядку величины равна k2Edk, где = / -кинематическая вязкость, - динамическая вязкость, - плотность среды. С учетом этой диссипации темп передачи кинематической энергии вниз по каскаду, в расчете на единицу массы и в единицу времени, должен падать с ростом k как

Подстановка (2) в (3) дает

Таким образом, оказывается, что поток кинетической энергии , передаваемой от больших вихрей к меньшим, уменьшается с уменьшением размеров вихрей. Каскадная передача энергии может быть увеличена путем принудительного перевода масштаба первоначального вихря в более мелкие вихри.

Т.е. становится очевидным, чем больше размер вторичных вновь образованных вихрей, тем интенсивней главный вихрь теряет свою энергию. Следовательно, сооружение, размещенное в поле атмосферного вихря, должно, во-первых, производить вторичные вихри, во-вторых, размеры возмущенной вихрями области, должны эффективно снижать интенсивность главного вихря.

Сооружение должно быть телом с каналами, формирующими группу вихрей из потоков, возвращаемых главным вихрем.

4. Переход от газа к жидкости (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика. "Наука". М., 1988.)

Величина диссипации энергии в потоке ˜( Tl)3/l˜( Re/Reкрит)3 l2. Если для воздуха 0˜0,0003 м2 /с, а вязкость =1,5·10-5 м2 /с, то при вязкости воды =0,1·10-5 м2 /с для турбулизованной водной среды можно получить оценку 0B˜0,0000001 м 2/с.

5. Как возникает момент вращения у потока жидкости, попавшей в канал устройства?

Рассмотрим плоский потенциальный вихрь жидкости как сечение объемного вихря в плоскости перпендикулярной вихревой нити. Вращение жидкости осуществляется с угловой скоростью = / t в положительном направлении, т.е. против часовой стрелки. Выделим часть поверхности вихря в виде части кольца с радиусами r1 и r2, вырезанной двумя радиальными лучами с углом их расхождения . Если считать, что выделенная часть площади кольца представляет собой след входного отверстия канала, в который поступает жидкость, то можно показать, что жидкость, внезапно втянутая в канал, имеет положительный ненулевой момент вращения. Это подтверждается экспериментально. На фиг.2 можно, например, видеть, как вращается по часовой стрелке сотовая модель в жидкой среде, движущейся как потенциальный вихрь с вращением по часовой стрелке. В случае движения жидкой среды против часовой стрелки хонекомб, погруженный в нее, также приобретает вращательное движение против часовой стрелки. Это экспериментально подтверждает возникновение завихренности жидкости и, следовательно, переход части общего момента вращения или интенсивности вихря к вновь образованным вторичным вихрям. Совокупность вторичных вихрей, взаимодействующих со стенками сооружения, приводит к возникновению момента вращения у сооружения. Между тем, для первоначального потенциального вихря характерным свойством является отсутствие завихренности любой выделенной области, не содержащей центр вихря.

6. Какой формой должны обладать каналы?

При большом многообразии форм наилучшей формой следует считать шестигранную по следующим основаниям:

6.1. Хонейкомб, образованный такими каналами, обладает по сравнению с решеткой в виде пластины, перфорированной цилиндрическими каналами, или хонейкомбом с трубчатыми каналами наименьшим сопротивлением из-за малости параметра заполнения S. В нашем случае S=0,08 для хонекомба-соты и S=0,8 для ранее использовавшейся формы в виде решетки, что на порядок улучшает эффективность устройства. Эффективность заключается в том, что из-за большей прозрачности в создании вихрей участвует в десять раз большее количество среды в случае хонейкомба, чем для решетки.

6.2. При прохождении завихренного потока через хонейкомб-соты не происходит существенного подавления завихренности потоков из-за турбулизации среды, задающейся формой канала. Такого рода оптимальность подсказывается (Т.Е.Фабер. Гидроаэродинамика. М., Постмаркет, 2001. - 560 с.) природой (ячейки Бенара).

Воспользуемся вышеизложенной информацией для получения оценок внешних и внутренних размеров предлагаемого сооружения.

Если примем, что высота h атмосферного слоя, участвующего в создании смерча, равна 800 метрам, максимальная горизонтальная скорость V потока равна 100 м/с и вязкость атмосферы =1,5·10-5 м2 /с, то число Рейнольдса Re оказывается равным Re=Vh/ =5·109, что указывает на турбулентный характер движения среды. А применение формулы (1) позволяет оценить турбулентную вязкость T 0 1/3r 4/3=500 м2/с для этого слоя.

В свою очередь образование и устойчивое развитие турбулентности в потоке текучей среды происходит при числе Рейнольдса Re=2000. Это означает, что при h=800 м, V=100 м/с. Re=2000 турбулентная вязкость может быть оценена как T=40 м2/с. Тогда согласно (1) размер области возмущения как основного масштаба источника турбулентности в этих условиях, определяющего поперечный размер сооружения, оценивается как r 120 м. Что вполне согласуется с размерами ядра смерча или торнадо.

Кроме того, хорошо известно (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика. "Наука". М., 1988) явление, называемое кризисом сопротивления: в области значений числа Рейнольдса Re 4·106 по мере роста этого числа происходит резкое уменьшение сопротивления среды при обтекании погруженного в него тела, а затем - тоже резкий рост этого сопротивления. Сопоставляя указанное значение числа Рейнольдса с его критическим значением Reкр 2·103, приходим к заключению, что для соотношения масштабов вихрей при их последовательном каскадном дроблении от крупных с размером L к мелким с размером r действует правило

Дальнейшую аргументацию действенности такого правила для каскада вихрей в настоящем описании не приводим. Но заметим, что для отдельного канала сооружения оценка размера канала (согласно (5) и внешнему размеру сооружения в 120 м) оказывается 11 м. Тогда длина канала 3,4 м.

Далее. Профиль горизонтальной скорости V потока описывается логарифмической зависимостью V alg(h/h0). При а=47,3 и h 0=6,15 получаем V=100 м/с на высоте h=800 м, V=30 м/с на высоте h=26,5 м скорость ветра и при h=10 м - V=10 м/с.

Характерный размер "хобота" разрушительного торнадо от 20 до 500 м. Если D=20 м - поперечный размер канала, задающего размер неоднородности в виде отдельного вторичного вихря в общем потоке, прошедшем через сооружение, V=30 м/с - скорость горизонтального потока над каналами и, следовательно, внутри каналов на выходе из них. Re=2000 - условие поддержания развития турбулентности, то оценка локальной вязкости потока на этом уровне T=0.3 м2/с. А согласно (1) масштаб возмущения, поддерживаемого такими условиями, оценивается как 3 м, что вполне определяет высоту канала сооружения. Однако в целях создания в канале условий для формирования вихря из циклически движущегося потока необходимо увеличение высоты каналов до ˜10 м. При большей высоте следует ожидать повышения сопротивления сооружения, выражающегося в нарастании подавления крупномасштабных вторичных вихрей собственными для канала мелкомасштабными вихревыми образованиями, снижая "прозрачность" каналов для протекающих по ним потоков и эффективность их воздействия на основной вихрь. "Собственная турбулентность возникает и имеет максимум в области выхода потока из канала. Затем происходит достаточно быстрое уменьшение масштаба собственной турбулентности и нарастание турбулентности, обусловленной взаимодействием потоков (Е.У.Репик, Ю.П.Соседко. Управление уровнем турбулентности. Изд. Физ. - мат. литература. М., 2002. - 244 с.)".

Потери энергии главным вихрем могут быть разделены на две части. Первая - это потери на микроуровне, второе - это потери на уровне масштаба, сопоставимого с масштабом самого вихря. Потери на микроуровне - необратимые потери диссипации кинетической энергии среды в тепловую энергию. Об этих потерях известно из вышесказанного, что основной вихрь их "не замечает". Энергетические потери второго уровня - это потери энергии на поддержание вихрей из каскада последовательного дробления основного вихря на более мелкие - именно здесь происходит самый энергичный переток энергии от крупномасштабного вихря к мелкомасштабным вихрям.

Следовательно, сооружение должно возвращать прошедший через него поток среды в виде элемента каскада вихрей, готового к взаимодействию как с самим главным вихрем, так и между собой, эффективно снижая кинетическую энергию вихревого движения основного вихря.

Изобретение поясняется иллюстрациями, на которых:

Фиг.1. Диметрическая проекция устройства-сооружения с усеченным активным элементом 1 в виде сот с шестигранной формой каналов и центральной цилиндрической опорой 2.

Фиг.2. Фотография водяной модели завихренной атмосферы. Вращение слоя жидкости по часовой стрелке возбуждает вращательное движение сотовой модели в жидкой среде также по часовой стрелке. В центре сосуда сосредоточились визуализирующие частицы.

Фиг.3. Фотография модели среды для создания вихря в виде слоя воды в цилиндрической емкости диаметром 0,4 м; количество воды 6 литров, уровень свободной поверхности ˜5 см, дополнение - частицы, визуализирующие потоки. Модель среды в состоянии покоя после завершения свободного вращательного движения жидкости.

Фиг.4. Фотография модели активного элемента сооружения в виде сетки с внешним размером 6,5×6,5 см, размером ячейки 2,5×2,5 мм, толщиной провода 0,5 мм.

Фиг.5. Фотография модели активного элемента сооружения в виде решетки - кругового цилиндра диаметром 5 см и высотой 5,5 мм, перфорированного в гексагональном порядке цилиндрическими отверстиями диаметром 5 мм.

Фиг.6. Фотография модели активного элемента сооружения в виде хонейкомба - плоскопараллельного тела, составленного из шестиугольных сотоподобных каналов, высотой 5,5 мм, стороной шестиугольного канала 10,0 мм и внешним размером 8×7,5 см2.

Фиг.7. Приведены экспериментальные результаты измерения зависимости угловой скорости f в оборотах в секунду вращения среды от числа оборотов N среды. Экспериментальные данные аппроксимируются линиями тренда, т.е. кривыми, наилучшим образом (в смысле приближения значения коэффициента корреляции R к единице) описывающими поведение этих данных. 1 - , слой воды, линия тренда f1=0.0035N2-0.0993N +0.865 и коэффициентом корреляции R2=0.9798; 2 - , слой воды с активным элементом сетка, линия тренда f2=0.0029N2 - 0.081N+0.6041 и коэффициент корреляции R2=0.9937; 3 - , ---- слой воды с активным элементом решетка, линия тренда f3=0.0024N2 - 0.0673N+0.516 и коэффициент корреляции R2=0.9915; 4 - слой воды с активным элементом хонейкомб-соты, линия тренда f4=0.6324e-0.2595N и коэффициент корреляции R2=0.9865.

Фиг.8. Фотография процедуры возбуждения активатором (вращающимся электрическим приводом насадом) вращательного по часовой стрелке движения воды путем приведения в центре сосуда в контакт насада и свободной поверхности воды.

Фиг.9. Фотография сосуда со следом в виде концентрации в центре сосуда визуализирующих частиц, оставленным свободным главным вихрем в присутствии модели сооружения-сетки в момент общего успокоения воды.

Фиг.10. Фотография сосуда со следом в виде концентрации визуализирующих частиц на части круга, оставленным свободным главным вихрем при его движении по часовой стрелке в присутствии модели сооружения-решетки в момент общего успокоения воды.

Фиг.11. Фотография сосуда со следом в виде концентрации визуализирующих частиц на части круга, оставленным свободным главным вихрем при его движении по часовой стрелке в присутствии модели сооружения-хонейкомба в момент общего успокоения воды.

Для демонстрации реализации предлагаемого технического решения воспользуемся методом физического моделирования.

А. Роль атмосферы будет играть вода.

При этом пользуемся известным приближением, что воздушная среда может считаться жидкостью с плотностью меньшей, чем у воды.

Например. Л.Прандтль. Гидроаэродинамика. R&C Dynamics. Москва-Ижевск. 2002. Стр.18-19.

"Газы отличаются от жидкостей тем, что при помощи достаточно большого давления они могут быть сжаты до очень малого объема; с другой стороны, если предоставить любому газу большее пространство, чем то, которое он занимает, то происходит расширение газа: он равномерно заполняет все предоставленное ему пространство, но давление его при этом уменьшается. В остальном поведение газов очень сходно с поведением жидкостей: В состоянии покоя они, подобно жидкостям, не оказывают никакого сопротивления деформации, а при внутренних перемещениях в них, как и жидкостях, проявляется вязкость. Следовательно, до тех пор, пока не происходит изменения объема, поведение газа в качественном отношении ничем не отличается от поведения жидкости, занимающей сплошь - без образования свободной поверхности - такое же пространство, как и газ".

Б. Модель среды для создания вихря в нашем случае представляет собой слой воды в цилиндрической емкости диаметром 0,4 м, количество воды 6 литров, уровень свободной поверхности ˜5 см, дополнение - частицы, визуализирующие потоки. На фиг.3 приведена фотография такой модели в состоянии покоя жидкости.

Критерии подобия. (А.М.Мхитарян. Аэродинамика. М., "Машиностроение", 1976, - 448 с.). При сопоставлении результатов натурных исследований и модельных с помощью числа Рейнольдса возникает связь натурных размеров и вязкости с аэродинамическими в трубе: н/ м(rн/r м)2 Уменьшение линейных размеров модели в n раз требует уменьшения коэффициента кинематической вязкости в аэродинамической трубе в n2 раз.

Отсюда, производя оценки, получаем, что наша модель вихря в водной среде удовлетворяет условиям подобия: если T н=500 м 2/с, rн=800 м, T м=8.6·10 -5 м2/с, ( Т н/ Т м) 0,5 2400 ˜800/rм, то r м ˜0,33 м, что достаточно близко к размеру модели вихря, задаваемому сосудом диаметром 0,4 м.

Моделирование вихревого движения осуществляется путем принудительного равномерного кругового вдоль периметра сосуда помешивания до момента возникновения устойчивого циклического радиусом r=0,18 м движения среды с линейной скоростью 1,1 м/с или с угловой скоростью один оборот в секунду. При вязкости воды =0,1·10-5 м2 /с число Рейнольдса Re=2·105.

В. В качестве активных элементов моделей сооружения используются:

1. сетка с внешним размером 6,5×6,5 см 2, размером ячейки 2,5×2,5 мм2 , толщиной провода 0,5 мм (фиг.4);

2. решетка - круговой цилиндр диаметром 5 см и высотой 5,5 мм, перфорированный в гексагональном порядке цилиндрическими отверстиями диаметром 5 мм (фиг.5);

3. хонейкомб - плоскопараллельное тело, составленное из шестиугольных сот, высотой 5,5 мм, стороной шестиугольного канала 10,0 мм и внешним размером 8×7,5 см2 (фиг.6).

Г. Вода, приведенная в циклическое движение и оставленная после этого в свободном состоянии, проявляет типичное для этого случая поведение, при котором визуализирующие частицы собираются в центре сосуда. Это можно видеть на фиг.3, где приведена фотография описанного состояния жидкости.

На фиг.7 приведены экспериментальные результаты измерения зависимости угловой скорости f вращения среды от числа оборотов N среды. Экспериментальные данные аппроксимируются линиями тренда, т.е. кривыми, наилучшим образом (в смысле приближения значения коэффициента корреляции к единице) описывающими поведение этих данных.

Из графиков видно, что наилучшими свойствами по снижению кинетической энергии циркуляционного движения среды обладает хонейкомб. При помешивании жидкости с целью придания ей угловой скорости один оборот в секунду, помещенный в нее хонейкомб активно противодействует этому, очень быстро гася циклическое движение жидкости. Это можно видеть на фиг.7, сравнивая кривые 1 для жидкости и 4 для жидкости с хонейкомбом. Близкое к нему поведение обнаруживает решетка (кривая 3). Но в силу ее меньшей прозрачности она обладает меньшей производительностью вторичных вихрей, а потому меньшей эффективностью воздействия на главный вихрь. Циклическое движение среды существенно затормаживается сеткой (кривая 2). Однако в этом случае меньшая эффективность сетки по сравнению с хонейкомбом и решеткой объясняется тем, что, интенсифицируя микромасштабную собственную турбулентность среды и способствуя снижению энергии циклического движения среды на самом нижнем уровне турбулентности, сетка не порождает устойчивых крупномасштабных вихрей. А это приводит к тому, что основные крупномасштабные вихревые движения, как и положено, "не замечают" микротурбулентность.

При скорости (конвергентных по отношению к центру вихря в придонной области сосуда) потоков 0,1 м/с и размере отдельной ячейки хонейкомба, равном 0,02 м, число Рейнольдса Re=2·103, что означает, что при меньших скоростях конвергентных потоков ячейки хонейкомба перестают быть областями устойчивого рождения крупномасштабной турбулентности, что выражается в сближении кривых в области большого числа оборотов, совершенных жидкостью, т.е. по прошествии достаточно большого времени. Это можно видеть на фиг.7.

Д. Дополнительная информация о влиянии сооружений, гасящих вихревое движение главного вихря.

В водной среде, содержащей модели сооружений в виде сетки, решетки или хонейкомба, возбуждалось вращательное движение активатором в виде цилиндрического осесимметричного насада с электрическим приводом (фиг.8). Вращающийся насад приводился в центре кругового сосуда в контакт со свободной поверхностью слоя воды, содержащегося в нем. Вода приобретала круговое вращательное движение по часовой стрелке, максимум угловой скорости которого достигался в течение 10 секунд удержания активатора в контакте с водой. После этого контакт устройства и воды прерывался и далее осуществлялось наблюдение за поведением возникшего искусственного вихря.

На фотографиях фиг.9, 10, 11 по следу, оставленному визуализирующими частицами, можно видеть различное угасание главного вихря. На фиг.9 сооружение-сетка гасит вихрь так, что след располагается главным образом в центре сосуда. На фиг.10 сооружение-решетка принуждает вихрь покинуть центральную часть сосуда и совершить путь в виде круга. На фиг.11 сооружение-хонейкомб принуждает вихрь покинуть центральную часть сосуда и совершить путь в виде круга, но большего радиуса, чем круг на фиг.10.

Сопоставляя результаты наблюдений для различных сооружений приходим к естественным заключениям, что сооружение-сетка в большей степени служит главным образом возбуждению микротурбулентности, ускоряющей диссипацию энергии главного вихря. Сооружение-решетка рождает вихри бóльшего масштаба, т.е. такого масштаба, что главный вихрь начинает вести себя как вихрь в присутствии другого вихря. Т.е. главный вихрь смещается от центра, как от точки, являющейся центром движения двух вихрей. В дальнейшем достаточно быстро главный вихрь теряет свою энергию движения, что приводит к потере энергии вторичными вихрями, а следовательно, к возвращению центра главного вихря в центр сосуда. В случае сооружения-хонейкомба главный вихрь теряет еще большую энергию движения, что приводит к росту интенсивности вторичных вихрей и, следовательно, к большему радиусу круга - следа главного вихря.

Обращает на себя внимание тот факт, что визуализирующие частицы оставляют след вихря, очень похожий на след торнадо, образованный обломками всего того, что он разрушил.

Е. Из вышеприведенных результатов следует, что:

1. Сооружение должно состоять из двух частей - активной, служащей гашению энергии вращения атмосферного вихря, и центральной несущей опоры.

2. Активная часть сооружения должна быть выполнена в виде сот с показателем заполнения S 0,1 и меньше.

3. Внешний размер активной части сооружения определяется размером ядра атмосферного вихря. Исходя из типичных размеров торнадо - это 100÷120 метров.

4. Наилучшей формой каналов активной части сооружения должна быть шестигранная форма.

5. Внутренний размер - размер отдельного канала сооружения определяется размером хобота в случае смерча или торнадо. Исходя из типичных размеров торнадо - это 12÷20 метров.

6. Уровень расположения верхней границы сооружения определяется высотой в пределах 25÷30 метров, что определяется согласно профилю скоростей ветра существенным логарифмическим замедлением роста значений горизонтальной скорости воздушных потоков с высотой.

7. Высота каналов активной части сооружения 5÷10 м.

8. Уровень расположения нижней границы активной части сооружения определяется высотой каналов сооружения и профилем местности, что дает для высоты опоры оценку 10÷20 м.

9. Форма внешнего граничного контура сооружения должна быть осесимметричной из соображений необходимости азимутальной равнозначности сооружения.

Формула изобретения

Сооружение для активного воздействия на крупномасштабные вихревые атмосферные образования, выполненное в виде несущей центральной опоры со смонтированной на ней горизонтально расположенной дискообразной центрально-симметричной конструкцией с вертикальными каналами, имеющими форму шестигранников с образованием сот для обеспечения возврата приземных потоков воздуха основному вихрю и расположенными в гексагональном порядке, причем размер дискообразной конструкции составляет 100-120 м, длина канала определяется как корень квадратный из размера конструкции, а высота расположения верхней границы сооружения составляет 25-30 м.