Примеры мезомасштабных изменений характеристик турбулентности
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В НИЖНЕМ 300-METPOBOM СЛОЕ
В УСЛОВИЯХ МАЛОГО ГОРОДА
Н.Л. БЫЗОВА
Материалы и обработка
Целью настоящей статьи является описание режима турбулентности, полученного во время некоторых серий измерений в разное время года и при разных условиях стратификации с помощью аппаратуры высотной мачты (табл. 1). В сериях 6, 7 и 10 измерялись средняя скорость и направление ветра, а также их пульсации с помощью пропеллерных датчиков. В остальных сериях, кроме того, использовались акустические анемометры (АКАН), расположенные на четырех уровнях высотной мачты. Описание аппаратуры см. в [3].
Таблица 1
Условия измерений
| № п/п | Дата | Время, час.мин |  ,
м/с
| Температурная стратификация | Облачность |
| 1986 г. | |||||
| 1 | 08.05. | 11.17 – 12.25 | 9-13 | Неустойчивая | 1/0 - 4/0 Ci |
| 2 | 07.07. | 16.53 – 17.27 | 10-11 | Неустойчивая | 1/1 - 2/2 Cu |
| 3 | 10.10. | 15.25 – 15.42 | 12 | Неустойчивая | 3/0 Ci |
| 4 | 14.10. | 08.56 – 10.07 | 10 | Почти без различная | 0/0 - 2/2 Cu |
| 5 | 15.10 | 11.07 – 12.15 | 10 | Неустойчивая с приподнятой инверсией | 2/0 Ac |
| 6* | 02.12. | 15.08 – 17.24 | 16-18 | Безразличная | 10/10 Sc, Cb, Frnb |
| 7* | 06.12. | 10.40 – 15.16 | 15-17 | Безразличная | 10/8 - 10/10 Cb, Frnb |
| 1987 г. | |||||
| 8 | 21.07. | 14.30 – 15.38 | 7 | Неустойчивая | 10/4 - 10/10 Sc, Cu |
| 9 | 22.07. | 11.07 – 12.15 | 10 | Неустойчивая | 0/0 - 3/3 Cu |
| 10* | 08.12. | 12.12 – 14.00 | 10 | Безразличная | 10/10 Frnb, Cb |
| 1988 г. | |||||
| 11 | 28.09. | 10.49 – 12.20 | 4 | Неустойчивая | 2/2 - 7/7 Cu, Ci |
| 14.12 – 16.28 | |||||
| 12 | 29.09. | 10.37 – 12.53 | 6 | Неустойчивая | 1/0 Ci, Ci Str |
| 13.23 – 14.35 | |||||
| 13 | 05.10. | 14.30 – 15.07 | 2 | Неустойчивая | 0/0 |
*Серии связаны с прохождением фронта.
|
|
|
Пульсации регистрировались с дискретностью 
= 0,5 с (при работе АКАНов) и 1 с в остальных случаях.
При обработке по рядам длиной в 2048 членов ( ~17 мин в первом случае и ~ 34 во втором) рассчитывались средние значения и стандартные отклонения; авто- и взаимные спектры; структурные функции, по которым определялись скорость диссипации турбулентной энергии или 
(для температуры). Способ выделения необходимого для этого интервала сдвигов в структурной функции и алгоритмы расчета см. в [4, 5].
Акустические анемометры (двухкомпонентные) перед каждой серией измерений ориентировались по среднему ветру так, чтобы они измеряли продольную и вертикальную компоненты скорости ветра. Однако ввиду изменчивости его направления возникала дополнительная погрешность, связанная с нарушением ориентировки.
Некоторые методические вопросы
В описанных сериях измерялись пульсации компонент вектора ветра: вертикальной ( 
) и продольной ( 
) - c помощью АКАНов, модуля скорости ветра 
и его направления 
- с помощью пропеллерного датчика.
|
|
|
Рис. 1. Автоспектры модуля скорости ветра (1), продольной
компоненты (2), модуль взаимного спектра (3):
а - z = 217 м, б - z = 25 м
Согласно [4], пульсации модуля вектора скорости ветра в первом приближении совпадают с пульсациями его продольной компоненты. Действительно, коэффициент корреляции между этими двумя величинами составляет от 0,6 - 0,8 на уровне 25 м до 0,7 - 0,9 выше 100 м. Спектральная корреляция между и (рис. 1) достаточно высока на низких частотах и резко падает на частотах, соответствующих периодам 8-30 с, что связано как с различием частотных характеристик датчиков, так и с расстоянием между ними при установке на мачте (около 10 м). Отметим, что до n = 10-1 c-1 мнимая часть взаимного спектра на порядок меньше действительной, при n > 10-1 c-1 они одного порядка.
Таблица 2
Средние значения характеристик турбулентности,
полученных по пульсациям разных компонент
(за 1986 и 1987 гг.)
| Сочетание компонент | Отношение стандартных отклонений | Отношение измеренных скоростей диссипации | |
| Измеренное | Ожидаемое | ||
| Продольная и вертикальная | 1,45 ± 0,41 | 1,3 – 1,4 | 1,44 ± 0,88 |
| Продольная и модуль | 0,76 ± 0,20 | 0,8 – 0,9 | 1,16 ± 0,69 |
| Модуль и вертикальная | 1,99 ± 0,56 | 1,4 – 1,8 | 1,89 ± 1,54 |
| Модуль и поперечная | 1,27 ± 0,12 | 1,3 | 1,07 |
|
|
|
Средние за все серии измерений отношений стандартных отклонений и скоростей диссипации турбулентной энергии приведены в табл. 2. В целом все эти отношения приблизительно соответствуют ожидаемым, но разброс их достаточно велик, в особенности для 
. Эта величина достаточно чувствительна к погрешностям градуировки, к способу выявления и характеру инерционного интервала, к помехам в высокочастотном интервале.
Уравнение баланса турбулентной энергии в пренебрежении ее диффузии по вертикали и поворота ветра с высотой для однородного по горизонтали и стационарного пограничного слоя имеет вид
, (1)
где 
- касательное напряжение, деленное на плотность; 
- вертикальный турбулентный поток температуры; 
- параметр плавучести.
В приземном слое при нейтральной стратификации безразмерная скорость диссипации турбулентной энергии имеет вид
. (2)
|
|
|
Эта величина (или же 
) может служить критерием соответствия между профилем скорости ветра и , а также вклада термического члена 
в (1). При неустойчивой стратификации
(3)
больше, чем при безразличной, причем, если поток тепла 
мало меняется с высотой, второй член в правой части (3) будет расти с высотой. При устойчивой стратификации, напротив, 
падает с высотой быстрее, чем при нейтральной, поскольку второй член справа имеет отрицательный знак.
Отметим, что в условиях малого города параметр шероховатости 
становится не совсем определенным [2]. В связи с изменением пути пробега с ростом высоты измерений оказывается, что эффективная шероховатость растет. На рис. 2 приведены значения , полученные расчетом при разных и измеренные во время серий. Из рисунка видно, что за пределы значений при < 2 м измеренные значения этой величины выходят только при неустойчивой стратификации. При безразличной стратификации данные укладываются в эти пределы, но в целом соответствуют довольно большим значениям - между 0,5 и 2 м, не считая уровня 9 м, где эффективное значение лежит между 0,1 и 0,2 м.
Рис. 2. Зависимость 
от высоты .
Расчетная – при = 0,1 м (1), при = 2 м (2); Измеренная –
при безразличной стратификации (3) и неустойчивой (4)
Безразмерной характеристикой турбулентности является не только , но также ее интенсивность - отношение стандартного отклонения пульсаций той или иной компоненты к средней скорости ветра. Обычно в качестве такой характеристики ниже применяется
. (4)
Поскольку 
, 
и 
обычно меняются одинаково, эта характеристика достаточно объективно отражает уровень турбулентности. Корреляция между величинами и I, нормированными на свое среднее значение для фиксированной высоты в каждой серии, составляет от 0,6 до 0,96.
Примеры мезомасштабных изменений характеристик турбулентности
Дата добавления: 2021-04-05; просмотров: 68; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!