авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Динамика гравитационно-капиллярных волн в океане в присутствии пленок поверхностно-активных веществ

-- [ Страница 3 ] --

В разделе 3.6 обсуждаются возможностях диагностики пленочных сликов при радиолокационном зондировании морской поверхности. Приведены данные наблюдений изменчивости спектра см-дм-ветровых волн в зоне пониженной скорости ветра - штилевом пятне, которые показали, что контраст для него практически не зависит от волнового числа. Данное различие в спектральных контрастах для штилевых пятен и пленочных сликов предложено использовать в качестве спектрального признака последних при многочастотной радиолокационной диагностике. Раздел 3.6 суммирует результаты третьей главы, опубликованные в работах [8*, 10*, 14*-18*, 24*, 31*, 37*, 51*, 58*, 61*-63*].

В главе 4 выполнен анализ механизмов воздействия переменных течений на ГКВ см-диапазона в присутствии пленок ПАВ и образования сликов на морской поверхности. В разделе 4.1 дано краткое введение в проблему воздействия переменных течений (в т.ч. внутренних волн) на ветровые волн в присутствии пленок ПАВ. Приведена общая формулировка задачи об изменчивости спектра ветровых волн в присутствии пленок ПАВ и переменных течений на основе системы кинетического уравнения для спектральной плотности N волнового действия ветровых волн, уравнения баланса для концентрации Г ПАВ и уравнений состояния пленки.

В разделе 4.2 проведен теоретический анализ динамики пленок в поле переменных заданных течений U на основе уравнения баланса для концентрации ПАВ в релаксационном приближении. С использованием метода характеристик получено общее решение уравнения для концентрации в одномерном случае в виде

, (5)

где Г0 невозмущенное (при U0) значение концентрации, - время релаксации ПАВ, x=f(,t), =x(t=0) - характеристики, определяемые уравнением . В разделе 4.2.1 анализируются распределения концентрации для стационарных течений вида U=dU/dx(x-x*). Показано (см. также [31]), что в точках конвергенции стационарных течений (x=x*, dU/dx/x* <0) имеет место схождение характеристик и, соответственно, накопление ПАВ. Величина Г при t ограничена значением , если . В разделе 4.2.2 рассматривается распределение концентрации ПАВ в поле орбитальной скорости в стационарной внутренней волне (ВВ). Для синусоидальной ВВ малой амплитуды показано, что в пренебрежении релаксацией максимумы Г отвечают максимумам орбитальной скорости ВВ, т.е. впадинами смещения пикноклина в ВВ основной (первой) моды. При учете релаксации максимумы концентрации ПАВ смещаются на задние склоны смещения в ВВ первой моды. В пренебрежении релаксацией приведено решение для стационарной ВВ произвольной амплитуды. В разделе 4.2.2 анализируются решения для Г в поле нестационарных ВВ при наличии поверхностного течения. Показано, что если ско­рость V поверхностного течения превышает групповую скорость ВВ (V>Cg), то перед цугом появляется отличное от 0 возмущение концентрации ПАВ – “пленочный предвестник”, заполнение в котором имеет длину волны и бежит со скоростью V ( - длина, а С – фазовая скорость ВВ). Огибающая предвестника движется со скоростью Cg и имеет масштаб затухания . При V<Cg вместо предвестника имеем “след” (см. [32]). Для длинного цуга на расстояниях от его границ, больших (V-Cg), распределение концентрации аналогично рассмотренному в разделе 4.2.2 стационарному с тем отличием, что при V>C максимумы Г соответствуют гребням ВВ основной моды при и смещены на ее задний склон при конечных . Амплитуда вариаций Г1 растет с приближением V к C и максимальна при резонансе (V=C), ее величина ограничена релаксационными процессами, а максимумы Г1 при этом соответствуют точно задним склонам ВВ. С использованием метода характеристик для условий лабораторных экспериментов рассчитаны распределения концентрации ПАВ в поле нестационарной ВВ амплитуды U0 для нерезонансного (a<1) и резонансного (a>1, a=U0/(C-V)) случаев.

В разделе 4.3 качественно обсуждаются механизмы изменчивости спектров ветровых ГКВ в поле переменных течений в присутствии пленок ПАВ. Для волн см-диапазона, для которых пленочный механизм обычно является доминирующим, приведено выражение для вариаций спектра, полученное в рамках модели локального баланса (см. гл. 3) для пленок с переменной упругостью, определяемой вариациями концентрации ПАВ в поле течения. Для волн дм-диапазона влияние пленки становится сравнительно слабым, однако, поскольку масштабы релаксации дм-волн обычно порядка и более характерных масштабов неоднородности течений, становится эффективной гидродинамическая модуляция ГКВ течением (кинематический механизм). Третий механизм связан с модуляцией инкремента ветровых ГКВ переменным течением. Для монохроматической ВВ с орбитальной скоростью на поверхности , в частности, выражение для малых вариаций спектра N имеет вид

(6)

Первое слагаемое в правой части (6) описывает кинематическую модуляцию [37], второе связано с модуляцией инкремента ветровых волн [40], третье - с модуляцией концентрации ПАВ в поле переменного течения и соответствующими вариациями декремента затухания ГКВ (пленочный механизм). Перечисленные механизмы определяют различный фазовый сдвиг вариаций спектра относительно профиля скорости U. Так, кинематический механизм приводит к усилению ГКВ над передним склоном профиля U (задним склоном профиля смещения пикноклина). Подавление волн (минимум N) из-за пленочного механизма в пренебрежении релаксацией ПАВ и при отвечает максимуму U, т.е. впадинам ВВ. Для механизма модуляции инкремента, в условиях, когда внутренняя волна распространяется “по ветру”, инкремент роста и спектральная интенсивность ГКВ уменьшаются вблизи максимума скорости U (см. [40]). В разделе 4.3 качественно проанализировано выражение для малых вариаций спектра волн в поле стационарного течения. Результаты раздела 4.3. используются далее в гл.4 при анализе вариаций спектров ГКВ в поле переменных течений различной природы. Раздел 4.4 посвящен лабораторному моделированию кинематического механизма модуляции ГКВ внутренней волной. В разделе 4.4.1 исследуется случай модуляции периодических ГКВ. Дан теоретический анализ модуляции на основе слабонелинейной теории взаимодействия ГКВ и ВВ, получена система уравнений, описывающих (при заданной ВВ) перераспределение энергии между основной компонентой ГКВ на частоте и сателлитами на частотах ±n и т.д. В приближении теории возмущений (n=1) получены выражения для коэффициентов амплитудной и частотной модуляции (АМ и ЧМ) ГКВ. Показано, что эти коэффициенты максимальны на частотах, отвечающих условию резонанса ГКВ и ВВ C=cg в гравитационной и капиллярной областях. Исследованы зависимости коэффициентов АМ и ЧМ от расстояния при резонансе, а также изменение с расстоянием положения макси­мумов амплитуды и частоты ГКВ относительно профиля ВВ. Для описания сильной модуляции выполнено численное решение системы для сателлитов, показано, что огибающая амплитуды ГКВ становится несимметричной, а рост коэффициента АМ с расстоянием замедляется. В разделе 4.4.2 изучена модуляция ветровых ГКВ, энергонесущие компоненты спектра которых на­ходятся в резонансе с ВВ. Показано, что коэффициент модуляции средней амплитуды ветровых ГКВ ведет себя аналогично случаю периодических ГКВ вплоть до расстояний порядка масштаба установления спектра волнения, а далее стремится к значению, близкому к коэффициенту АМ периодических ГКВ при расстоянии, равном об­ратному инкременту ветровых ГКВ.

В разделе 4.5 приведены результаты лабораторного моделирования в ветроволновом бассейне ИПФ РАН механизма модуляции концентрации ПАВ (пленки OLE и полимера Emkarox) под действием ВВ, в том числе при наличии ветрового дрейфового течения. Исследованы пробы пленок, взятых в различных фазах ВВ, измерен коэффициент затухания и к.п.н. и по известным для них зависимостям от концентрации ПАВ определены вариации этой концентрации. Результаты эксперимента подтвердили эффект усиления модуляции ПАВ, а также сдвиг максимумов концентрации ПАВ в случае, когда скорость течения близка к фазовой скорости ВВ.

Раздел 4.6 посвящен описанию результатов уникальных натурных наблюдений проявлений внутренних волн в виде сликовых полос на морской поверхности. Основным преимуществом экспериментов являлся их комплексный характер, когда проводились одновременные измерения характеристик ВВ, поверхностных волн и параметров пленок ПАВ; это позволило получить прямое подтверждение механизма формирования пленочных сликов в поле ВВ. Исследована изменчивость сечений спектров ГКВ см-дм-диапазона в направлении, перпендикулярном направлению распространения ВВ, когда пленочный механизм является доминирующим. При этом наблюдалось сильное (на порядок величины) подавление спектра см- волн в сликовых полосах над впадинами ВВ, интенсивность же волн дм-диапазона существенно не менялась. К.п.н. над впадинами ВВ существенно уменьшался, что соответствует повышенной концентрации ПАВ в сликовых полосах (рис. 4). Для ветровых ГКВ, распространявшихся под острыми углами к направлению распространения ВВ обнаружены эффекты совместного действия кинематического и пленочного механизмов: гашение см-волн в сликах над впадинами и небольшое усиление дм-волн над задним склоном ВВ. Измеренные давления пленки в сликовых полосах составили характерные величины 5-10 мН/м, упругости - 20-40 мН/м. Результаты расчетов неплохо согласуются с данными наблюдений (рис.4).

В разделе 4.7 проанализированы радиолокационные (РСА) спутниковые изображения ВВ. Описаны различные типы РСА изображений короткопериодных ВВ (длины 0,5-1 км) в прибрежных зонах в виде полос переменной яркости, либо темных полос; при очень слабом ветре вблизи порога возбуждения ветровых волн наблюдаются яркие полосы - положительные вариации интенсивности сигнала радиолокатора (рис.5).

 Интенсивность см-ГКВ (вверху) в поле цуга ВВ (в центре, показаны колебания-36

 Интенсивность см-ГКВ (вверху) в поле цуга ВВ (в центре, показаны колебания-37

 Интенсивность см-ГКВ (вверху) в поле цуга ВВ (в центре, показаны колебания-38

Рис. 4. Интенсивность см-ГКВ (вверху) в поле цуга ВВ (в центре, показаны колебания глубины изотерм), отмечены моменты измерений давления пленок (стрелками) и его величины ( в мН/м). Внизу – результаты модельных расчетов.

Рис. 5. Основные типы радиоизображений коротких ВВ (спутник ERS-2).

Данные особенности изображений объясняются действием, соответственно, кинематического, пленочного и ветрового механизмов модуляции ГКВ внутренними волнами. Наряду с короткими ВВ на РСА-изображениях океанского шельфа обнаружены также проявления приливных ВВ, имеющие вид полос с периодами 15-20 км. Даны теоретические оценки, показывающие, что эти проявления можно объяснить перераспределением пленок ПАВ и соответствующей модуляцией ветровых ГКВ см-диапазона, а также механизмом модуляции инкремента ветровых ГКВ в поле приливных ВВ. Обнаружено, наконец, что возможен переход одного типа изображений коротких ВВ в другой в зависимости от их положения относительно фазы приливной ВВ. Так, в частности, полосы переменной яркости вблизи гребня приливной ВВ переходят в темные полосы вблизи впадины приливной ВВ; это объясняется наличием крупномасштабных вариаций упругости пленок ПАВ в поле приливной ВВ и, соответственно, доминированием вначале кинематического, а затем пленочного механизмов модуляции ГКВ.

В разделе 4.8 описаны натурные наблюдения пленочных сликов, формируемых в поле неоднородных течений и ветрового дрейфа. В разделе 4.8.1 приведены результаты наблюдений поверхностного проявления неоднородного течения, выполнявшихся в 5-м рейсе н.и.с. “Академик Вавилов” в феврале 1990 г. в тропической Атлантике у побережья Западной Сахары и включавших синхронные измерения профилей скорости течения, пространственных спектров ГКВ и к.п.н. Течение, характеризуемое наличием сильного градиента горизонтальной скорости в области шельфового склона, проявлялось на поверхности в виде полосы “слик-сулой” – прилегающих друг к другу полос выглаженного и усиленного волнения. В слике зафиксировано уменьшение к.п.н. (рост давления пленки), свидетельствующее о повышенной концентрации ПАВ в области градиента скорости течения. Трансформация спектра ветрового волнения характеризовалась сильным квазиизотропным гашением волн с длинами, менее 15-20 см в слике и анизотропным усилением ГКВ большей длины в области сулоя. На основе качественного теоретического анализа сделан вывод о том, что такой характер проявления течения на морской поверхности связан с совместным действием пленочного и кинематического механизмов воздействия течений на ГКВ. В разделе 4.8.2 описаны наблюдения, в ходе которых были за­регистрированы слики, формируемые неоднородными полями скорости дрейфовых течений для монотонного и осциллирующего ветровых фронтов. Представлены синхронные записи текущего спектра ветровых ГКВ см-дм диапазонов, вариаций к.п.н. и скорости ветра. Показано, что вариации спектров в обоих случаях типичны для пленочных сликов и характеризуются сильным подавлением см-ряби и быстрым уменьшением эффекта для ГКВ дм-диапазона. Получено, что пленка может концентрироваться как в области градиента скорости ветра, так и в минимумах скорости ветра. Дано качественное обсуждение результатов. В разделе 4.9 сформулированы основные результаты главы 4, опубликованные в работах [1*-7*, 9*, 20*-23*, 25*, 27*, 32*-35*, 39*- 41*, 45*, 46*, 48*].

В главе 5 анализируется влияние нелинейности на характеристики ГКВ см-мм-диапазонов и на их модуляцию под действием длинных поверхностных и внутренних волн в присутствии пленок ПАВ. Рассмотрены эффекты, связанные с присутствием в спектре сильно нелинейных ГКВ высших гармоник ГКВ - вынужденных компонент, в частности, паразитной капиллярной ряби [42-47]. В разделе 5.1 дано краткое введение в проблему генерации паразитной капиллярной ряби, приведены описание физического механизма генерации и основные теоретические выводы, а также краткая характеристика известных экспериментальных данных о свойствах ряби. В разделе 5.2 представлены результаты выполненных в работе лабораторных исследований характеристик паразитной ряби, возбуждаемой периодическими ГКВ. В разделе 5.2.1 описаны методика лабораторных экспериментов и результаты измерений характеристик несущих ГКВ и ряби (частоты, длины волны, наклона) оптическими и контактными методами. Определены характерные длины ряби, показаны ее стационарность (равенство фазовых скоростей ряби и несущих ГКВ), а также квазипороговый характер зависимости крутизны ряби от крутизны (амплитуды наклона) несущих ГКВ (рис.6). Показано, что рябь возбуждается ГКВ с длинами от 3-4 см до 20-30 см. В разделе 5.2.2 приведены результаты лабораторных экспериментов по изучению влияния паразитной ряби на радиолокационные сигналы мм-диапазона. Получено, что мощность радиолокационного сигнала возрастает пороговым образом с ростом крутизны несущих ГКВ (рис. 6), пороговое значение крутизны ГКВ 0,1, в согласии с результатами раздела 5.2.1.

Рис. 6. Амплитуда паразитной ряби (17-й гармоники с длиной 5 мм) для ГКВ с длиной 10 см и интенсивность радиолокационного сигнала Ка-диапазона как функции крутизны ГКВ с длинами 10 см и 40 см.

В разделе 5.3 изучено влияние паразитной ряби на характеристики коротких ветровых ГКВ. В лабораторном эксперименте с использованием специально развитых методов, основанных на анализе интенсивности лазерного пучка, проходящего через взволнованную поверхность воды, получены гистограммы кривизны периодических и ветровых ГКВ. Показано, что гистограммы асимметричны из-за несинусоидальности профиля ГКВ и присутствия паразитной ряби Для ветровых ГКВ наличие пленки приводит к увеличению асимметрии из-за более сильного (чем для паразитной ряби) подавления свободных ветровых волн мм-диапазона.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.