В издательстве LAP Lambert Academic Publishing GmbH & CO.KG вышла книга
![[]](/img/k/kartashow_a_s/c0mareincog/oblojka.jpg)
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Прихожая. Тонкий термический пограничный слой
1. Основные факторы
2. Режим свободной конвекции
3. Режим вынужденной конвекции
Комната первая. Свободная конвекция
1. Основные представления
2. Система уравнений
3. Модель
4. Ламинарный конвективный слой
5. Турбулентный конвективный слой
6. Масштабные коэффициенты
7. Автомодельный режим
Комната вторая. Вынужденная конвекция
1. Особенности режима
2. Структура пограничного слоя
3. Закон теплопередачи
4. Анализ экспериментальных данных
5. Прикладные аспекты
Комната третья. Турбулентный пограничный слой как упругая система
1. Поток энергии турбулентности
2. Масштаб турбулентных возмущений
3. Турбулентность как упругий материал
4. Энергия упругости турбулентного потока
5. Пограничный слой с постоянными коэффициентами
6. Пограничный слой с переменными коэффициентами
Комната четвертая. Квантовая интерпретация пограничного слоя
1. Идеальный пограничный слой
2. Вертикальные профили
3. Закон сопротивления
4. Характерные числа
5. Коэффициент сопротивления
6. Энтропия
Комната пятая. Теплоотдача океана
1. Параметризация
2. Закон сопротивления
3. Граничные условия
4. Обратная связь
Литература
Обыденная жизнь приучила нас к мысли, что окружающая рутина не содержит в себе каких-либо загадок или тайн. Изо дня в день мы видим один и тот же привычный пейзаж за окном, в котором заведомо нет, и не может быть по определению, ничего необычного, интригующего. Неизвестность находится где-то там, высоко за облаками, в безмерных космических просторах, или же в недоступных глубинах океана, куда не ступала нога человека, или же в причудливом квантовом микромире, куда не может проникнуть наш любопытствующий взор. Все остальное давно уже изучено наукой вдоль и поперек, и поэтому не представляет собой ничего интересного, - ну разве что для художника, который в изображении привычного вида из окна не столько выявляет заоконную природу, скрытую от глаз, сколько выражает самого себя, или же для редкого в настоящее время писателя, взявшего на себя неблагодарный труд описывать подноготную обыденной жизни вместо того, чтобы писать детективы и триллеры.
Однако нет ничего более увлекательного, чем искать неизвестное в известном. По этому поводу можно возразить поговоркой: глупо искать черную кошку в темной комнате зная, что ее там нет. Но в том то и дело, что мы не знаем заранее о существовании черной кошки, а только предполагаем, что пресловутая темная комната достаточно освещена не только научной литературой, но и в школьных учебниках, которые давным-давно изгнали из нее всех черных кошек. Вера в науку дает возможность подобрать ключи практически ко всем темным комнатам, но при этом она не должна превращаться в вероисповедание, ибо в предположении об отсутствии черной кошки в темной комнате очень легко ошибиться по той простой причине, что кошки относятся к разряду животных, которые гуляют сами по себе, и в силу этого могут забрести куда угодно. Возможно, именно с этим досадным обстоятельством связано известное высказывание средневекового философа, математика и естествоиспытателя Рене Декарта о том, что нет ни одного утверждения, которое нельзя было бы поставить под сомнение.
Предлагаемая книга представляет собой экскурс по отдельным темным комнатам гидродинамики, примыкающим к океанологии, при этом автор намеренно не поведет читателя к современным рубежам науки, в сияющие юпитерами залы, где решаются задачи крупного масштаба - по моделированию погоды и климата или изучению процессов, протекающих в толще вод, - а заглянет в забытые и даже весьма запыленные комнатки ветхого флигеля, стоящего на отшибе современной науки, где много лет назад трудились основоположники теории турбулентного пограничного слоя, - такие как Осборн Рейнольдс, Людвиг Прандтль и Теодор Карман, - с тем, чтобы проверить, не забрела ли туда часом какая-нибудь кошка по неведомым коридорам, соединяющим этот флигель с физикой. Навязчивое намерение предпринять такой экскурс связано с тем, что возраст теории пограничного слоя уже давно перевалил за сто лет, но до сих пор она так и не встала в один ряд с такими физическими теориями как термодинамика или квантовая механика, а играет лишь второстепенную роль подручного средства для решения прикладных задач гидродинамического моделирования, получив эпитет полуэмпирической теории.
Есть подозрение, что этот эпитет не вполне справедлив, во всяком случае, по отношению к теории пограничного слоя и является сегодня не более чем данью традиции, сложившейся в гидродинамике, а именно: загонять все, что не лежит на поверхности уравнений механики жидкостей и газов, в числовые эмпирические постоянные и универсальные функции, довольствуясь соображениями подобия и анализом размерностей. У этой традиции есть объективные причины, связанные с чрезвычайной сложностью гидродинамических систем с точки зрения математического анализа и, вместе с тем, с острой необходимостью поиска решений конкретных практических инженерных задач, требующих немедленного решения. Однако сложившаяся традиция, сама по себе, формирует и вполне определенный стиль мышления, который препятствует развитию теории в направлении раскрытия физической природы эмпирических числовых величин, представляющих собой не более чем иллюзию знания. Иллюзионизм, в итоге, становится первым номером программы, достойным внимания, а все остальные номера рассматриваются как неактуальные.
В основу книги положены материалы автора по исследованию тонких термических пограничных слоев на границе раздела вода-воздух, а также отдельные работы, основная линия которых связана с выяснением вопроса: насколько теория турбулентного пограничного слоя специфична среди физических наук, и можно ли перевести эту полуэмпирическую теорию на общеупотребительный язык физики? - с тем, чтобы использовать типовые способы описания физических систем на благо развития гидродинамики. Процессы мелкомасштабного взаимодействия океана и атмосферы, происходящие в пограничных слоях воды и воздуха, предоставляют, с точки зрения физики, необъятное поле деятельности, охватить которое в рамках одной книги, конечно, невозможно. Поэтому основное внимание уделено только влиянию термики на турбулентный режим пограничного слоя, при этом, в связи с профессиональными интересами автора, акцент сделан на подповерхностный слой океана.
Глядя на мерцающую бликами поверхность моря в ясный ветреный день, отдыхающий на пляже не представляет, как много скрыто от его блуждающего взора под рябью капиллярных волн в этой, в общем-то, обыденной картине. Развитие океанологической измерительной техники привело к выявлению в приповерхностном слое океана тончайших особенностей процессов мелкомасштабного взаимодействия океана и атмосферы, невидимых невооруженным глазом, одна из которых - существование тонкого термического пограничного слоя, формирующегося за счет теплоотдачи океана через свободную поверхность. При проведении специальных экспериментов, лабораторных и натурных, было установлено [1, 11, 101, 127, 128], что в пределах слоя толщиной всего порядка нескольких миллиметров происходит резкое падение температуры, так что на поверхности океана температура отличается от равновесной температуры верхнего слоя, и это отклонение бывает весьма значительным, достигая 0,5 - 1,0?С. При этом оказалось, что мгновенные значения температуры испытывают колебания с характерным масштабом времени 40-50 с [2, 11, 16] и горизонтальным масштабом 1-2 см [101].
Исследование природы обнаруженных мелкомасштабных процессов, их объяснение и описание основных статистических характеристик, интересное само по себе, вызвало и немалый прикладной интерес в связи с развитием дистанционных методов измерения температуры верхнего слоя океана с помощью радиационных термометров, в том числе спутниковых, имеющих значительные преимущества по сравнению с контактными методами в оперативности проведения термических съемок больших акваторий, но уступающих последним в точности. Одна из помех для получения достоверной информации в этом направлении инструментальных исследований - наличие на поверхности океана "холодной пленки", искажающей картину пространственного распределения температуры верхнего слоя океана.
Но холодная пленка, будучи досадной помехой для радиометров и тепловизоров, вместе с тем, оказалась и хорошим подспорьем для решения другой прикладной задачи - определения суммарной теплоотдачи океана как важнейшего компонента теплового баланса. Эта задача соприкасается с проблемами крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы, поскольку при среднеглобальной разности температур вода-воздух в 1-2С различие в 0.5С, характерное для холодной пленки и скрытое от используемых в океанологической практике стандартных измерительных средств, может оказывать в глобальном отношении значительное влияние [105]. В связи со скрытым характером эффекта холодной пленки американский океанолог Мак-Интайр [108] назвал верхний слой океана толщиной несколько миллиметров "Маrе incognitum".
Решение задачи определения результирующего потока тепла, отдаваемого океаном, с учетом холодной пленки происходило в двух направлениях. Первое из них связано с методикой определения потоков тепла от океанской поверхности, созданной на основе теории подобия пограничного слоя атмосферы [63]. Использование информации о перепаде температуры в холодной пленке дает возможность уточнить условия на нижней границе приводного слоя воздуха и тем самым улучшить методику определения теплового потока на поверхности океана по стандартным судовым метеоданным. Другое направление решения этой задачи основано на прямом измерении, посредством многоканальных радиометров, элементов тонкой термической структуры приповерхностного слоя океана, формирующегося за счет суммарной теплоотдачи [109], так что холодную пленку можно использовать как индикатор теплоотдачи океана. Таким образом, теория, описывающая связь холодной пленки с результирующим потоком тепла в различных гидрометеорологических условиях, оказалась весьма востребованной.
Теория тонкого термического пограничного слоя, сложившаяся в результате многолетних усилий океанологов, носит исключительно полуэмпирический характер, и за редким исключением не выходит за рамки теории подобия и анализа размерностей - т.е. методологии, к которой наука прибегает в тех ситуациях, когда об исследуемых процессах ничего, кроме эмпирических данных, неизвестно. С применения этой методологии для описания процессов, происходящих в пограничных слоях на границе раздела вода-воздух, мы и начнем наш вояж, основной маршрут которого пройдет по заброшенным комнатам теории пограничного слоя, где главную роль играют процессы теплообмена. При этом будем использовать определенную методику поиска черных кошек: во-первых, постараемся не упускать из виду любые благоприятные возможности для раскрытия физической природы безразмерных эмпирических величин, которые наверняка представятся, ибо таких величин в теории пограничного слоя неоправданно много, и, во-вторых, рассматривать специфические закономерности пограничного слоя с общефизической точки зрения, привлекая для их описания, где это возможно, общеупотребительные физико-математические представления и модели.
Сначала мы заглянем туда, где изучался, и весьма успешно, теплообмен в условиях свободной конвекции и разрабатывались модели термического пограничного слоя океана при штиле и слабом ветре. Отсюда, казалось бы, рукой подать до процессов теплообмена при наличии ветра, получивших название вынужденной конвекции, поскольку при касательном напряжении трения, вызывающем дрейфовое течение на свободной поверхности моря, генерируются поперечные отрывные течения, напоминающие конвективные. Однако, как говорил поэт, "лицом к лицу лица не увидать", и теория вынужденной конвекции оказалась сопряженной с довольно-таки бедным ландшафтом окольного пути, ведущего, по большому счету, лишь к определению полного перепада температуры в тонком термическом пограничном слое океана через тепловые и динамические характеристики на границе раздела вода-воздух (закон теплопередачи). То же самое можно сказать и о тонком пограничном слое воздуха над поверхностью моря, где ламинарный режим воздушного течения сменяется турбулентным. Тем не менее, определение полуэмпирических законов теплопередачи и сопротивления тонких термических пограничных слоев воды и воздуха на границе раздела все же дает возможность разработать методику расчета турбулентных потоков тепла в приводном слое воздуха, с учетом обратных связей "Маrе incognitum".
Однако востребованность закона теплопередачи холодной пленки для решения прикладных задач, отмеченных выше, является слабым утешением, и приходится констатировать, что физической теории вынужденной конвекции в пограничном слое, как таковой, так и не было создано. Более того, даже теория нестратифицированного турбулентного пограничного слоя в самых простейших случаях горизонтально однородного плоского течения или течения в трубе с физической точки зрения весьма слаба и не продвинулась сколько-нибудь существенно со времен Прандтля и Кармана. Неудивительно, что такая теория, не выходящая далеко за рамки теории подобия и анализа размерностей, не в состоянии описать тонкие эффекты квантового характера, наблюдающиеся, например, в виде ступенчатой термической структуры деятельного слоя океана. Это вынуждает нас заглянуть в гости к основоположникам теории пограничного слоя, чтобы смахнуть пыль с обветшавшего интерьера и посмотреть, нет ли у этого интерьера сходства с какими-либо известными общефизическими конструкциями, применение которых позволило бы, хотя бы частично, рассматривать теорию пограничного слоя как физическую теорию.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книгу можно приобрести как в бумажном, так и в электронном виде по адресу:
https://https://www.ljubljuknigi.ru/store/ru/book/Море-инкогнитум/isbn/978-3-8454-7319-2
Связаться с программистом сайта.
|