Проблема нагонных наводнений в С. Петербургечасть 1 Формирование водных потоковна страницах сайта www.electrosad.ruПолный вариант статьи одной страницей в редакции от 2013 года | ||
Физические процессы энергообмена на границе раздела воздух - водная среда
Нагонные наводнения -
Наблюдая за водной гладью пруда Вы видите, как легкий ветерок гонит мелкие предметы по поверхности воды. Но это не движение предметов в неподвижной воде, а движение предметов которое демонстрирует движение верхних слоев водной поверхности. Аналогично проходит взаимодействие между воздушной и водной средой в больших пространствах морей, океанов. Движущиеся воздушные потоки передают свою энергию водной поверхности, создавая в водной среде соответствующие водные течений, время существования потоков может определяться как часами, так и более продолжительным временем. Скорости воздушных потоков связаны со скоростью возникших водных течений упрощенным соотношением.
Vвозд =k Vводы
Рис.1
Здесь коэффициент K всегда меньше 1. Он зависит от множества факторов и в том числе от:
Причем необходимо помнить:
При этом воздушные потоки могут иметь ограниченную протяженность, но несколько таких потоков передавая по эстафете от одного к другому разгоняемые массы воды могут передавать им достаточную энергию, чтобы образовать как постоянные течения, так и временные - существующие время определяемое существованием воздушных потоков и энергией запасенной в течении.
Рис.2
Нам интересны временные течения. Поскольку скорость временного течения составляет какую-то долю от скорости воздушных потоков, а полученная энергия не имеет ограничений, но меньше энергии полученной от воздушной среды , то запасенная энергия определяется массой движущейся воды временного течения (ВТ). При ограниченной ширине ВТ она определяется глубиной H водного течения.
Энергетика временного теченияПолная механическая энергия, запасенная течением масс воды равна сумме потенциальной и кинетической энергии.
Е = Еп +Ек, Кинетическая энергия временного течения имеющего скорость V и массу движущихся объемов воды m:
Ек = mV2/2, Потенциальная энергия массы воды m поднятой на высоту h в поле тяготения Земли:
Еп = m q h,
Где: q – ускорение свободного падения 9,8190 м/сек2. Отсюда получаем, для случая обмена энергии без потерь и при условии постоянства суммарной энергии запасенной движущейся массы воды (закон сохранения энергии):
q h = V2/2,
Отсюда единица массы временного течения движущегося со скоростью V запасает столько кинетической энергии, что при встрече с препятствием (любого вида вплоть до встречного течения) совершает работу достаточную для подъема этой массы на высоту h (рис.2).
h = V2/2q.
или при наличии потерь при передаче энергии
h < V2/2q.
Рис.3.
Поскольку запасенная во временном течении энергия Eк зависит от его скорости V, то важно учитывать, что она (как уже говорилось выше), скорость, не может превышать скорость воздушных потоков и будет тем ближе к их скорости, чем больше путь их совместного прохождения.
Процесс энергообмена между атмосферными потоками и водной поверхностью носит циклический характер. Этим объясняется волнообразование на водной поверхности. Поскольку в объеме движущегося водного потока всегда существуют области с различными скоростями движения (как напримерповерхностные слои и более глубокие слои, или локальные объемы) эти области взаимодействуют друг с другом.
Рис.4 (Для просмотра включите воспроизведение gif анимации в броузере)
На рис.4, в виде анимации, показаны два фрагмента потока, где в качестве преграды для разогнанного объема воды (его скорость равна V2) является водная среда движущаяся в том же направлении но с меньшей скоростью V1.
V2 > V1
В показанном на рис.4 случае, набегающий водный поток со скоростью V2 воспринимает водяной поток движущийся в том же направлении с меньшей скоростью V1 как препятствие, и ведет себя примерно так же как показано на рис. 3 в случае его встречи с преградой. Высота волны определяет энергией запасенной в потоке движущемся со скоростью ΔV = V2- V1.
Волнообразование не только увеличивает энергообмен воздушная среда - водная поверхность, но и способствует перемешиванию внутри временного течения, выравниванию его скорости по объему и увеличению его групповой скорости (средней скорости). Нам в дальнейшем именно средняя скорость и будет важна. При образовании временного течения мы рассматриваем ситуацию когда H - глубина временного течения меньше глубины водоема. Глубина временного течения H понятие условное. Если сделать вертикальный разрез ВТ, то его скорость от максимальной в верхних слоях снижается до нуля на некоторой глубине. Можно взять для определения глубины течения, глубину на которой сосредоточена основная энергия переносимая потоком. При 90% это глубина на которой скорость течения в нижнем слое в 3,16 раза меньше скорости на поверхности. Описанные процессы работают везде где имеет место передача энергии (кинетической) от накопившей ее воздушной среды к водной поверхности. Но аналогичным образом могут иметь место и обратные процессы. Но их эффективность многократно ниже из-за более высокой вязкости воды.
Обсудить в Форуме
| ||
Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:
/Неизвестный
процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна. | ||
Copyright © Sorokin A.D. |
|
2002 - 2020 |
