Силы, действующие в атмосфере в состоянии равновесия

СТАТИКА АТМОСФЕРЫ

Система находится в равновесии (покое), если результирующая всех сил, действующих на систему равна нулю.

Силы подразделяются на массовые и поверхностные.

Массовыми силами, действующими на атмосферу в целом и на ее части, являются сила тяжести и отклоняющая сила вращения Земли (кориолисова сила).

Поверхностные силы, действующие в атмосфере, - это сила давления и сила трения.

Однако кориолисова сила и сила трения появляются лишь при движении атмосферы относительно поверхности Земли или одних ее частей относительно других. Поэтому силами, действующими в атмосфере в состоянии покоя, являются сила тяжести и сила давления.

Пусть атмосфера находится в состоянии покоя по отношению к земной поверхности. Тогда горизонтальная составляющая градиента давления должна обращаться в нуль (в противном случае воздух придет в движение). Для этого необходимо и достаточно, чтобы изобарические поверхности совпадали с уровенными.

Выделим в атмосфере две изобарические поверхности, расположенные на высотах z и z+dz (рис.). Между изобарическими поверхностямиp p+dp выделим объем воздуха с горизонтальными основаниями 1 м 2 . На нижнее основание действует сила давления p, направленное снизу вверх; на верхнее – сила давления p+dp, направленная сверху вниз. Силы давления, действующие на боковые грани выделенного объема взаимно уравновешиваются.

Рис. К выводу уравнения статики.

На этот объем действует сила тяжести Р, направленная по вертикали вниз и равная по модулю

Спроектируем все силы на ось z. Поскольку сумма всех сил равна нулю, то и сумма этих проекций равна нулю:

Подставив выражение силы тяжести, получим .

Разделив на dz определим второй вид основного уравнения статики атмосферы:

Левая часть представляет собой вертикальную составляющую градиента давления, правая – силу тяжести, действующую на единичный объем воздуха. Таким образом, уравнение статики выражает равновесие двух сил – градиента давления и силы тяжести.

Из уравнения статики можно сделать три важных вывода:

1. Увеличению высоты (dz>0) соответствует отрицательное приращение давления (dp>0), что означает убывае давления с высотой. Уравнение статики выполняется с высокой точностью и в случае движения атмосферы.

2. Выделим в атмосфере вертикальный столб воздуха с основанием 1м2 и высотой от уровня z до верхней границы атмосферы . Вес этого столба равен . Проинтегрировав обе части () в пределах от z , где давление р, до , давление равно 0 (по определению верхней границы), получим: , или .

Таким образом, приходим ко второму определения понятия давления. Атмосферное давление на каждом уровне равно весу столба воздуха единичного поперечного сечения и высотой от данного уровня до верхней границы атмосферы. Отсюда понятен физический смысл убывания давления с высотой.

3. Уравнения статики позволяют сделать вывод о скорости убывания давления с высотой. Уменьшение давления тем больше, чем больше плотность воздуха и ускорение свободного падения. Основную роль играет плотность. Плотность воздуха с увеличением высоты падает. Чем выше расположен уровень, тем меньше убывание давления.

Если точки расположены на одной и той же изобарической поверхности, то плотность воздуха будет зависеть только от температуры в этих точках. В точке с более низкой температурой плотность выше. Это означает, что при подъеме на одну и ту же высоту понижение давления в точке с более высокой температурой меньше, чем в точке с более низкой температурой.

В холодной воздушной массе давление с высотой убывает быстрее, чем в теплой. Подтверждением этого вывода является тот факт, что на высотах (в средней и верхней тропосфере) в холодных воздушных массах преобладает низкое давление, а в теплых – высокое.

Оценим значение вертикального градиента. При нормальных условиях вблизи уровня моря r=1.29 кг/м3, g=9.81 м/с2. Подставив эти значения в (), найдем: G=12ю5 гПа/100м.

Силы, действующие в атмосфере делятся на массовые и поверхностные:

Массовые или объемные силы.

К массовым силам относятся те силы, которые действуют на каждый элементарный объем воздуха, и обычно, рассчитываются на единицу массы. К ним относятся:

Сила тяжести

Представляет собой векторную сумму двух сил: силы земного притяжения, направленной к центру Земли, и центробежной силы, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси и направленная по радиусу круга широты, проходящей через рассматриваемую точку.

Сила Кориолиса

(отклоняющая сила вращения земли) связана с вращением Земли вокруг своей оси и действует на движущиеся относительно Земли частицы воздуха (на воздушные течения атмосферы). Сила Кориолиса возникает в результате переносного вращательного движения Земли и одновременного движения частиц воздуха относительно земной поверхности.

Или .

где ω – угловая скорость вращения Земли.

Применяя формулы векторного анализа получим составляющие силы Кориолиса по осям координат.

Поверхностные силы.

К поверхностным силам относятся те силы, которые действуют на соприкасающиеся поверхности слоя воздуха.

Сила давления

(сила барического градиента) возникает за счет неравномерного распределения давления. Вектор силы барического градиента определяется соотношением

а его составляющие, отнесенные к единице массы, по осям координат, имеют следующий вид:

Сила трения

Возникает при движении воздуха, когда различные его объемы имеют разную скорость движения. Если рассматривать движение воздуха, как движение вязкой жидкости, то при движении двух соседних слоев жидкости с различными скоростями, между ними развиваются касательные силы внутреннего трения (касательное напряжение), или силы вязкости. Составляющие этой силы по осям координат.

Силы, действующие в атмосфере.

Силы, действующие в атмосфере делятся на массовые и поверхностные:

Массовые или объемные силы.

К массовым силам относятся те силы, которые действуют на каждый элементарный объем воздуха, и обычно, рассчитываются на единицу массы. К ним относятся:

Сила тяжести представляет собой векторную сумму двух сил: силы земного притяжения, направленной к центру Земли, и центробежной силы, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси и направленная по радиусу круга широты, проходящей через рассматриваемую точку.

Сила Кориолиса (отклоняющая сила вращения земли) связана с вращением Земли вокруг своей оси и действует на движущиеся относительно Земли частицы воздуха (на воздушные течения атмосферы). Сила Кориолиса возникает в результате переносного вращательного движения Земли и одновременного движения частиц воздуха относительно земной поверхности.

где? - угловая скорость вращения Земли.

Применяя формулы векторного анализа получим составляющие силы Кориолиса по осям координат.

Поверхностные силы. К поверхностным силам относятся те силы, которые действуют на соприкасающиеся поверхности слоя воздуха.

Сила давления (сила барического градиента) возникает за счет неравномерного распределения давления. Вектор силы барического градиента определяется соотношением

а его составляющие, отнесенные к единице массы, по осям координат, имеют следующий вид:

Сила трения возникает при движении воздуха, когда различные его объемы имеют разную скорость движения. Если рассматривать движение воздуха, как движение вязкой жидкости, то при движении двух соседних слоев жидкости с различными скоростями, между ними развиваются касательные силы внутреннего трения (касательное напряжение), или силы вязкости. Составляющие этой силы по осям координат:

Кинематический коэффициент турбулентной вязкости, а - динамический коэффициент вязкости.

Уравнение движения свободной атмосферы

Как известно, плотность вещества в физике вводится предельным переходом: , где в механике сплошной среды следует понимать под m массу вещества, заключенную в объеме W. Посмотрим, как будет выглядеть закон сохранения массы для произвольного подвижного объема сплошной среды, для которого. Из (1.12) тогда следует:

или в силу произвольности объема W:

Это уравнение носит название уравнения неразрывности (непрерывности).

Геострофический ветер

Простейший вид движения воздуха, который можно пред-ставить теоретически, -- это прямолинейное равномерное движе-ние без трения. Такое движение при отклоняющей силе, отличной от нуля, называют геострофическим ветром.

При геострофическом ветре, кроме движущей силы градиента G = - 1/?*dp/dn на воздух действует еще отклоняющая сила вращения Земли A = 2?*sin?*V. Поскольку движение пред-полагается равномерным, обе силы уравновеши-ваются, т. е. равны по ве-личине и направлены взаимно противоположно. Отклоняющая сила вра-щения Земли в северном полушарии направлена под прямым углом к ско-рости движения вправо. Отсюда следует, что сила градиента, равная ей по величине, должна быть направлена под прямым углом к скорости влево. А так как под прямым углом к градиенту лежит изобара, то это значит, что геостро-фический ветер дует вдоль изобар, оставляя низкое давление слева (рис. 4.21).

Рис.4.21. Геострофический ветер. G -- сила барического градиента, А -- отклоняю-щая сила вращения Земли, V -- скорость ветра.

В южном полушарии, где отклоняющая сила вращения Земли направлена влево, геострофичёский ветер дол-жен дуть, оставляя низкое давление справа. Скорость геострофи-ческого ветра легко найти, написав условие равновесия действую-щих сил, т. е. приравняв их сумму нулю. Получим

откуда, решив уравнение, найдем для скорости геострофического ветра

Это значит, что скорость геострофического ветра прямо пропорциональна величине самого барического градиента. Чем больше градиент, т. е. чем гуще проходят изобары, тем сильнее ветер.

Подставим в формулу (2) числовые значения для плот-ности воздуха при стандартных условиях давления и темпера-туры на уровне моря и для угловой скорости вращения Земли; выразим скорость ветра в метрах в секунду, а барический гра-диент -- в миллибарах на 100 км. Тогда получим формулу (2) в рабочем виде, удобном для определения скорости геострофи-ческого ветра (на уровне моря) по величине градиента.

Особенности проявления силы тяжести в атмосфере.

Сила тяжести. Одной из массовых сил является сила тяжести действующая на любую как неподвижную, так и на движущуюся относительно Земли частицу воздуха.

Сила тяжести g представляет собой векторную сумму двух сил: силы земного притяжения g, направленной к центру Земли, и центробежной силы с, возникающей от вращения Земли во­круг своей оси и направленной по радиусу широтного круга, проходящего через рассматриваемую точку (рис). На рисунке невозможно выдержать правильное соотно­шение величин этих двух сил, так как центробежная сила слишком мала тяжести по сравнению с силой. Действительно, величина центробежного ускорения определяется: где - v 2 пер переносная скорость, a rᵩ - расстояние частицы до зем­ной оси.

Так как земля вращается вокруг своей оси с постоянной угло­вой скоростью где Т* - сутки, то на расстоянии rᵩ от оси переносная скорость равна wrᵩ ,. Величина же rᵩ , равна rᵩ = r cosᵩ (r - расстояние частицы от центра земли). Учитывая все это, фор­мулу для центробежного ускорения можем написать так:

Где w 2 = 7,297 10 -5 1/с - угловая скорость вращения Земли; r - расстояние частицы от центра земли, ᵩ - географическая широта.

Центробежная сила с очень мала по сравнению с силой земного притяжения g , и по ме­ре приближения к полюсу она уменьшается до нуля, а сила тяжести g с увеличением широты увеличивается.

Действие силы тяжести определяет форму поверхности миро­вого океана и в большой мере также форму поверхности суши. Очевидно, что при отсутствии морских течений поверхность моря должна быть всюду перпендикулярна к направлению силы тяжести (иначе касательная составляющая силы тяжести начнет перемещать водные частицы). Такие поверхности называется поверхностями уровня и приближенно представляют собой эллипсоиды вращения, малая ось которых совпадает с осью вращения земли.

Тензор упругих напряжений. Связь с вязкостью.

Тензор напряжений - тензор второго ранга, состоящий из девяти величин, представляющих механические напряжения в произвольной точке нагруженного тела. Эти девять величин записываются в виде таблицы, в которой по главной диагонали стоят нормальные напряжения в трёх взаимно перпендикулярных осях, а в остальных позициях - касательные напряжения, действующие на трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.

Полный тензор механического напряжения элементарного объёма тела. Буквой σ обозначены нормальные механические напряжения, а касательные буквой τ.

Компоненты тензора напряжений в декартовой системе координат (т.е. ) вводят следующим образом. Рассматривают бесконечно малый объём тела (сплошной среды) в виде прямоугольного параллелепипеда, грани которого ортогональны координатным осям и имеют площади . На каждой грани параллелепипеда действуют поверхностные силы . Если обозначить проекции этих сил на оси как , то компонентами тензора напряжений называют отношение проекций силы к величине площади грани, на которой действует эта сила:

По индексу здесь суммирования нет. Компоненты , , , обозначаемые также как , , - это нормальные напряжения, они представляют собой отношение проекции силы на нормаль к рассматриваемой грани :

Компоненты , , , обозначаемые также как , , - это касательные напряжения, они представляют собой отношение проекции силы на касательные направления к рассматриваемой грани :

В случае линейной теории упругости тензор напряжений симметричен (так называемый закон парности касательных напряжений).

Ур-ние неразрывности.

Уравнение неразрывности, часто называемое также уравнением сплошности, представляет собой частную форму общего закона сохранения массы, установленного Ломоносовым, специализированную для случая сплошной среды.

Рассмотрим элементарную массу жидкости δm , заполняющую объём δτ . Если проследить движение частиц жидкости, составляющих данный жидкий объём, то неизменность массы можно выразить соотношением
(1)

Так как
, то из (1) следует, что
(2)

Подставляя это выражение в (2) и сокращая на δτ, получаем уравнение неразрывности

Можно перевести уравнение неразрывности также к другой форме, более удобной для дальнейших выводов. Для этого раскроем выражение для индивидуальной производной от плотности и для дивергенции скорости

Эта форма уравнения неразрывности наиболее часто используется в метеорологических исследованиях.

Для незжимаемой жидкости , и уравнение (4) принимает вид

В спаведливости этого соотношения можно убедиться также непосредственно, вспоминая физический смысл дивергенции скорости.

Приведём ещё выражение для уравнения неразрывности в сферической системе координат (для вывода которого достаточно выразить в этих координатах)

13 Турбулентность в атмосфере. Изменения в уравнениях

Вследствие неравномерности распределения давления в атмосфере ее воздушные массы перемещаются в горизонтальном направлении, вызывая ветер.

Скорость ветра и его направление непрерывно изменяются. Средние значения скорости ветра составляют 5-10 м/с, но могут достигать 50 м/с и более. В верхних слоях атмосферы в струйных течениях скорость ветра может превышать 100 м/с.

Перемещение воздуха в атмосфере носит турбулентный характер. Сущность явления турбулентности заключается в том, что в массе воздуха, находящейся в движении, образуются вихревые потоки. Эти вихри вызывают хаотические колебания характеристик движущихся масс воздуха, т.е. их скорости, направления, температуры, давления и плотности. Одним из источников возникновения турбулентности является различие скоростей ветра в смежных слоях. Особенно велика турбулентность в нижних слоях тропосферы: в приземном слое высотой 50-100м и в слое трения, простирающемся до высоты 1000-1500м. Турбулентность, вызываемая разностью скоростей в смежных слоях, называется динамической.

Кроме горизонтальных перемещений воздушных масс, в атмосфере присутствуют и вертикальные перемещения. Скорости вертикальных перемещений значительно ниже горизонтальных. В обычных условиях вертикальные перемещения измеряются в сантиметрах в секунду. Развитие этих перемещений связано с наличием архимедовой или гидростатической силы. Воздух, более теплый у земной поверхности и, следовательно, менее плотный, чем окружающая среда, перемещается вверх, а более холодный опускается на его место.

Вертикальные перемещения воздуха называются конвекцией. При слабом развитии конвекция носит беспорядочный турбулентный характер. При развитой конвекции, над отдельными участками разогретой земной поверхности возникают мощные восходящие и нисходящие токи воздуха, достигающие стратосферы. Нисходящие потоки обычно менее интенсивны, но охватывают на много большие площади.

Турбулентное перемешивание в десятки и тысячи раз превышает молекулярное перемешивание или молекулярную диффузию.

Турбулентная диффузия приводит к распространению в атмосфере тепла и влаги в вертикальном направлении. Следствием турбулентности является перенос количества движения сверху вниз, что приводит к некоторому выравниванию распределения скорости ветра по высоте. Количество движения определяется выражением

Где m – масса воздуха, v – скорость движения этой массы.

Поскольку в более высоких слоях атмосферы скорость ветра больше, чем вблизи земной поверхности, то при перемешивании массы воздуха, имеющие более высокие скорости, перемещаются на нижние уровни, в результате чего возникает турбулентное трение.

Помимо основных компонентов в состав воздуха входят переменные части: водяной пар, двуокись углерода, озон, а также различные примеси, т.е. мельчайшие твердые и жидкие частицы, называемые, аэрозолями. Количество любой субстанции характеризуется ее удельным содержанием s, т.е. массовой долей субстанции.

В процессе турбулентного обмена воздуха любая субстанция распространяется в том направлении, в котором она убывает. Изменение субстанции на единицу расстояния называется ее градиентом. В атмосфере убывание субстанции обычно наблюдается в направлении снизу вверх.

Количественной характеристикой турбулентного обмена является поток субстанции, т.е. количество субстанции, переносимой через единицу площади в единицу времени.

В соответствии с теорией, переносимая в процессе турбулентного обмена субстанция, должна удовлетворять следующим условиям.

1.Количество субстанции в индивидуальной частице воздуха в процессе ее движения, пока она не смешалась с окружающим воздухом, должно сохраняться неизменным.

2.При смешении двух масс воздуха должно сохраняться общее количество субстанции.

3.Субстанция должна быть пассивной примесью, т.е. не оказывать влияния на турбулентное движение.

При соблюдении этих условий поток субстанции пропорционален градиенту массовой доли субстанции. В случае переноса субстанции по вертикали ее поток может быть выражен формулой Sв= -А* dS/dZ , где Sв - вертикальный перенос субстанции, -dS/dZ -вертикальный градиент субстанции, А – коэффициент турбулентного обмена, зависящий от атмосферных условий и характера подстилающей поверхности.

Турбулентный перенос тепла в атмосфере носит более сложный характер. Вследствие сжимаемости воздуха и непрерывно происходящих в его толще адиабатических изменений его температуры, о направлении переноса тепла нельзя судить по направлению градиента температуры. При сухоадиабатическом процессе сохраняющейся характеристикой теплового состояния воздушной массы является ее потенциальная температура.

14. Скалярные, векторные, тензорные величины

Скалярная величина (от лат. scalaris - ступенчатый) в физике - величина, каждое значение которой может быть выражено одним действительным числом. То есть скалярная величина определяется только своим значением, в отличие от вектора, который кроме значения имеет направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т. д.

Векторная величина - величина называется вектором (векторной), если она определяется двумя элементами различной природы: алгебраическим элементом - числом, показывающим длину вектора и являющимся скаляром, и геометрическим элементом, указывающим направление вектора.

Обозначаются векторные величины соответствующими буквами со стрелкой наверху или выделяются жирным шрифтом. Примеры векторных физических величин:

сила; скорость; импульс.

Векторы изображают направленными отрезками. Началом вектора называют ту точку, откуда начинается направленный отрезок (точка А на рис. 1), концом вектора – точку, в которой заканчивается стрелка (точка B на рис. 1).

Тензорные величины - объекты линейной алгебры, линейно преобразующие элементы одного линейного пространства в элементы другого. Частными случаями тензоров являются скаляры, векторы, билинейные формы и т.п. Термин «тензор» также часто служит сокращением для термина «тензорное поле», изучением которых занимается тензорное исчисление. Многие тензорные величины, ранг тензора которых равен 2 определяются уравнением вида, где и - две векторные физические величины, связанные преобразованием. Примеры: тензор инерции; тензор эффективной массы; тензор диэлектрической проницаемости.

15. Теория подобия. Масштаб.

Учение об исследовании физич. явлений, основанное на понятии о физич. подобии. Два физич. явления подобны, если но численным значениям характеристик одного явления можно получить численные значения характеристик другого явления простым пересчетом, к-рый аналогичен переходу от одной системы единиц измерения к другой. Для всякой совокупности подобных явлений все соответствующие безразмерные характеристики (безразмерные комбинации из размерных величин) имеют одинаковое численное значение. Обратное заключение тоже верно, т. е. если все соответствующие безразмерные характеристики для двух явлений одинаковы, то эти явления физически подобны.

Анализ размерностей и П. т. тесно связаны между собой и положены в основу экспериментов с моделями. В таких экспериментах осуществляются замены изучения нек-рого явления в натуре изучением аналогичного явления на модели меньшего или большего масштаба (обычно в специальных лабораторных условиях).

После установления системы параметров, определяющих выделенный класс явлений, устанавливаются условия подобия двух явлений. Именно, пусть явление определяется пнезависимыми параметрами, нек-рые из к-рых могут быть безразмерными. Пусть, далее, размерности определяющих переменных и физич. постоянных выражены через размерности kиз этих параметров с независимыми размерностями ().Тогда из n величин можно составить только n-kнезависимых безразмерных комбинаций. Все искомые безразмерные характеристики явления можно рассматривать как функции от этих п-k независимых безразмерных комбинаций, составленных из определяющих параметров. Среди всех безразмерных величин, составленных из определяющих характеристик явления, всегда можно указать нек-рую базу, т. е. систему безразмерных величин, к-рые определяют собой все остальные.

Определенный соответствующей постановкой задачи класс явлений содержит явления, вообще неподобные между собой. Выделение из него подкласса подобных явлений осуществляется с помощью следующего условия.

Для подобия двух явлений необходимо и достаточно, чтобы численные значения безразмерных комбинаций, составленных из полного перечня определяющих параметров, образующих базу, в этих двух явлениях были одинаковы. Условия о постоянстве базы отвлеченных параметров, составленных из заданных величин, определяющих явление, наз. критериями подобия. В гидродинамике важнейшими критериями подобия являются Рейнольдса число, характеризующее соотношение между инерционными силами и силами вязкости, Маха число, учитывающее сжимаемость газа, и Фруда число, характеризующее соотношение между инерционными силами и силами тяжести. Основными критериями подобия процессов теплопередачи между жидкостью (газом) и обтекаемым телом являются: Прандтля число, характеризующее термодинамич. состояние среды; Нуссельта число, характеризующее интенсивность конвективного теплообмена между поверхностью тела и потоком жидкости (газа); Пекле число, характеризующее соотношение между конвективным и молекулярным процессами переноса тепла в жидкости; Стэнтона число, характеризующее интенсивность диссипации энергии в потоке жидкости или газа. Для распределения, тепла в твердом теле критериями подобия являются Фурье число, характеризующее скорость изменения тепловых условий в окружающей среде и скорость перестройки поля темп-ры внутри тела, и число Био, определяющее характер соответствия между температурными условиями среды и распределением температуры внутри тела. В процессах, изменяющихся с течением времени, основными критериями подобия, характеризующими одинаковость протекания процессов во времени, являются критерии гомохронности. В задачах аэрогидромеханики этот критерий наз. Струхаля числом. Критерием подобия механич. движения является Ньютона число. При изучении упругих деформаций критерием подобия является коэффициент Пуассона. Если условия подобия выполнены, то для фактич. расчета всех характеристик в натуре по данным о размерных характеристиках на модели необходимо знать переходные масштабы для всех соответствующих величин. Если явление определяется ппараметрами, из к-рых kимеют независимые размерности, то для величин с независимыми размерностями переходные масштабы могут быть произвольными и их нужно задать с учетом условий задачи, а при экспериментах - и с учетом условий опыта. Переходные масштабы для всех остальных размерных величин получаются из формул, выражающих размерности каждой размерной величины через размерности kвеличин с независимыми размерностями, для к-рых масштабы подсказаны условиями опыта и постановки задачи.

Напр., в задаче об установившемся обтекании тела несжимаемой вязкой жидкостью все безразмерные величины, характеризующие движение в целом, определяются тремя параметрами: углами a, b (направление поступательной скорости тела относительно его поверхности) и числом Рейнольдса R. Условия физич. подобия - критерии подобия - представляются соотношениями:

Число гомохронности. Пример применения

Критерии подобия - безразмерные числа, составленные из размерных физ. величин, определяющих рассматриваемое физ. явление. Любая физ. величина представляет собой произведение численного значения на единицу измерения и, т. о., всегда зависит от выбора системы единиц измерения. Значения критерия подобия от единиц измерения не зависят. Равенство всех однотипных критериев для двух физ. явлений (процессов) или систем - необходимое и достаточное условие физ. подобия этих систем.

Число гомохронности характеризует нестационарность процесса движения и его используют при изучении теплообмена в нестационарных (например, пульсирующих) потоках. Число Эйлера определяет подобие полей давления. В некоторых системах это число является однозначной функцией числа Рейнольдса.

VT/L=Но, где V-характерная скорость, Т-характерное время изменения процесса, L-характерный линейный размер.

Число Струхала- частный вид критерия гомохронности, применяемый в гидроаэромеханике.

Число гомохронности Но и число Фурье Fo являются определяющими критериями для нестационарных процессов. Число, или критерий Фурье- один из критериев подобия нестационарных тепловых процессов. Характеризует соотношение между скоростью изменения тепловых условий в окружающей среде и скоростью перестройки поля температуры внутри рассматриваемой системы (тела), который зависит от размеров тела и коэффициента его температуропроводности:

где а = l/rc - коэффициент температуропроводности, (l - коэффициент теплопроводности, r - плотность, с - удельная теплоёмкость), l - характерный линейный размер тела, t0 - характерное время изменения внешних условий.

Поскольку критерии, устанавливающие связь между скоростями развития различных эффектов, называются критериями гомохронности, число Фурье является критерием гомохронности тепловых процессов, т.е. связывает времена различных эффектов.

Число Фруда. Пример применения

Число́ Фру́да (), или критерий Фруда, - один из критериев подобия движения жидкостей и газов, является безразмерной величиной. Применяется в случаях, когда существенно воздействие внешних сил. Введено Уильямом Фрудом в 1870 году.

Число Фруда в гидродинамике

Число Фруда характеризует соотношение между силой инерции и внешней силой, в поле которой происходит движение, действующими на элементарный объём жидкости или газа:

где v- характерный масштаб скорости, g- ускорение, характеризующее действие внешней силы, L- характерный размер области, в которой рассматривается течение.

Например, если рассматривается течение жидкости в трубе в поле силы тяжести, то под величиной g понимается ускорение свободного падения, под величиной v - скорость течения, а за L можно принять длину трубы или её диаметр.

В судостроении используется другая версия числа Фруда - корень из выше указанного гидродинамического числа Фруда.

Число Фруда позволяет сравнивать условия волнообразования для судов разного размера. Для больших водоизмещающих судов число Фруда обычно равно 0,2-0,3, а для малых глиссирующих судов оно, как правило, превышает 1, но обычно выбирается из диапазона 2-3.

Также Число Фруда применяют при моделировании течений воды в открытых руслах и испытаниях моделей гидротехнических сооружений.

Число Фруда в теплопередаче

В теплопередаче критерий Фруда также характеризует соотношение между силой инерции и силой тяжести, но выражается иначе:

g - ускорение свободного падения,

l- определяющий (характéрный) размер,

w- скорость потока жидкости или газа.

Чем больше число Fr , тем меньше влияние силы тяжести на свойства движения.

L (10 2 – 2·10 6 м) и скорости V g v= 1,5*10 -5 м2/с, для критериев подобия получаем следующие значения верхнего и нижнего пределов возможных значений числа Фруда:

Верхний предел 50 2 /10*10 22 =2,5

Нижний предел 10/2*7*10 -5 *2*10 6 =4*10 -2

Число отклонения от геострофичности. Пример применения

V-характерная скорость, L-характерный размер, ω-угловая скорость

Чем больше число De , тем меньше влияет на движение отклоняющая сила вращения

При больших значениях числа De на свойства движения большое влияние оказывают си-

лы инерции, определяемые конвективным членом в уравнениях движения.

Учитывая интервалы изменения длины L (10 2 – 2·10 6 м) и скорости V (10 - 50 м/с) и приближенно принимая g ≈ 10 м/с 2 , ω =7*10 -5 1/с и v= 1,5*10 -5 м2/с, для критериев подобия получаем следующие значения верхнего и нижнего пределов возможных значений:

Верхнего предела 50/2*7*10 -5 *10 2 =4*10 3

Нижнего предела 10*10 2 /1,5*10 -5 =7*10 7

Число Эйлера. Пример применения

Число Эйлера (Eu) - безразмерный коэффициент, имеющий место в уравнениях Навье - Стокса, описывающий отношение между силами давления на единичный объём жидкости (или газа) и инерционными силами.

где ρ- плотность, Δр- перепад давления, расходуемый на преодоление гидравлического сопротивления, v- скорость.

Число Рейнольдса. Пример применения.

Число Рейнольдса – один из критериев подобия (безразмерные величины, характеризующие соотношения различных сил, действующих в жидкости (газе).

Число Рейнольдса используется в динамике до звуковых потоков (потоков со скор. меньшими скор. звука) и определяется по ф-ле где U – скорость потока, L - характерный линейный размер теч. (в качестве такового может выступать как верт. размер Н, так и гориз. размер L в зависимости от специфики рассматриваемого течения и необходимости разделения линейных размеров по вертикали и горизонтали), v m - кинематическая вязкость жидкости (традиционно (при рассмотрении ламинарных течений) под этой величиной понимают молекулярную вязкость, но в метеорологии, где изучаются турбулизованные течения, под ней чаще всего подразумевают «турбулентный» аналог) . Число Рейнольдса (названо в честь англ. физика Осборна Рейнольдса) характеризует отношение между силами инерции и силами трения в потоке жидкости. Весьма часто используются другие формулировки числа Рейнольдса, напр., где - разность скорости потока на границах рассматриваемой области, - градиент

скорости в рассматриваемом слое жидкости. Наиболее часто число Рейнольдса используется

при изучении закономерностей движения жидкостей и газов в каналах в отсутствии вращения.

Чем больше Re, тем меньше влияет на свойства движения сила вязкости.

Значение числа Рейнольдса, при кот. ламинарный поток сменяется турбулентным, называют критическим числом Рейнольдса . Если , то течение происходит в ламинарном режиме, а если , то возможно возникновение турбулентности. Физически это означает, что силы трения при возрастании сил инерции не в состоянии поддерживать динамическое равновесие, свойственное ламинарному потоку, и оно сменяется новой формой динамического равновесия, при кот. структура течений становится зависящей от времени.

Число Re применяется в гидравлике (напр., вычисление гидравлического радиуса труб и каналов).

21. Определяющие и внутренне обусловленные критерии. Примеры.

Критерии подобия делятся на 2 группы:

а) Критерии подобия, содержащие, определяющие параметры, т. е. внешне обусловленные характерные величины и физические константы. Физическими констан­тами жидкости являются характерная плотность и кинематический коэффициент вязкости. Угловая скорость вращения Земли и ускорение силы тяжести также относятся к определяющим парамет­рам.

Наличие этих критериев накладывает дополнительные условия на внешне обусловленные величины. Действительно, движении будут подобны только тогда, когда внешне обусловленные величины удовлетворяют одновременно критериям, образованным из уравнений движения и из краевых условий. Иначе говоря, каждый такой критерий ограничивает возможность осуществления подобия движений и является, таким образом, определяющим.

б) Критерии подобия, содержащие хотя бы одну из внутренне обусловленных величин, явл. неоопределяющими. Если осуществлены все усл. подобия, вытекающие из определяющих критериев и краевых условий, то эти критерии обязательно выполняются для всего класса подобных движений.

Т. о., когда соответствующее безразмерное число определено для какого-то одного случая, то неопределяющий критерий представляет собой соотношение, связывающее характерные значения.

При вычислении числа определяющих критериев необходимо соблюдать одно важное правило – критерии должны быть приведены к такой форме, чтобы каждая внутренне обусловленная величина встречалась лишь в одном из них. Очевидно, что эта всегда может быть достигнуто путем перемножения или деления критериев, содерж. одну и ту же внутренне обусловленную величину. Если это правило не соблюдено, то никаких заключений о том, какие критерии явл. определяющими, конечно, сделать нельзя.

Для пояснения определ. и неопредел. критериев подобия разберем некоторые вопросы, связанные с моделированием обтекания горного массива установившимся воздушным потоком. Направим ось х по направлению невозмущенного потока, ось z по вертикали, и пусть вдали от массива u=u(z) , v=0, w=0 . Высоту препятствия в пункте с координатами х, у описываем ур-нием z=h(x,y) при х>0 .

Тогда условие «прилипания» запишетсяв виде:

Из этих краевых условий следует, что при моделировании движения необх. воспроизвести в некоторых определенных соотношениях профиль горного массива

и набегающий на препятствие поток, т.е. величины L и V в дан. случае явл. внешне обусловленными.

Отсюда следует, что из 5 безразмерных критериев подобия определяющими будут три – совпадение чисел Фруда, Рейнольдса и отклонения ветра от геострофического.

Если, например, задать определенный характерный размер модели, то соотношение L 1 /L 2 явится известной величиной, то определяющими критериями будут все те же три числа – Fr, Re, De. Совпадение чисел Но будет выполняется автоматически, т. к. в слу­чае установившегося движения период равен бесконечности, то ни­каких новых выводов отсюда сделать нельзя.

Совпадение же чисел Еu в данном случае приводит к очень важ­ному результату. Если определить из опыта разность давлений между двумя какими-то точками модели, то разность давлений в соответ­ственных точках при естественном обтекании может быть найдена из соотношения

Следовательно, неопределяющий критерий дает правила пересчета результатов опыта на натуру. Необходимо отметить, что такое соотношение критериев, когда Fг, Rе, Dе явлю определяющими, а Но и Еu неопределяющими критериями, имеет место в очень многих зад. гидромеханики. Однако в ряде метеорологических задач величина L оказывается не внешне, а внутренне обусловленным размером. Это приводит к ко­ренному изменению определяющих критериев подобия.

Скалярное произведение векторов. Пример в д. метеорологии.

Скаля́рное произведе́ние - операция над двумя векторами, результатом которой является число (скаляр), не зависящее от системы координат и характеризующее длины векторов-сомножителей и угол между ними. Данной операции соответствует умножение длины данного вектора а на проекцию другого вектора b на данный вектор а .

.

Векторное произведение векторов. Пример в динам. Метеорологии

Если для определение физ величины. Кроме численного значения, необходимо указать направление в пространстве, то такие величины называют векторами.

Векторным произведением АхВ двух векторов называет­ся вектор С = А*В (рис.), направленный перпендикуляр­но плоскости векторов-сомножителей в ту сторону, откуда поворот от первого сомножителя ко второму на меньший угол против хода часовой стрелки и равный по величине площади параллелограмма, построенного на этих векторах, т.е. |C|=|A*B|=ABsin(A,B)

Векторное произведение векторов определяется следующими условиями:

1). Модуль вектора |С| равен ABsin(A,B), где (A,B) - угол между векторами A и B;

2). Вектор |C| перпендикулярен к каждому из векторов A и B;

3). Направление вектора |С| соответствует «правилу правой руки». Это означает, что если векторы A, B и |С| приведены к общему началу, то вектор |С| должен быть направлен так, как направлен средний палец правой руки, большой палец которой направлен по первому сомножителю (то есть по вектору A), а указательный - по второму (то есть по вектору B).

Векторное произведение зависит от порядка сомножителей, именно: .

Необходимое и достаточное условие параллельности векторов имеет вид: А*В=0.

Если система координатных осей правая и векторы А и В заданы в этой системе своими координатами:

, ,

то векторное произведение вектора А на вектор В определяется формулой

Или С=А*В=(A 1 i 1 +A 2 i 2 +A 3 i 3)*(B 1 i 1 +B 2 i 2 +B 3 i 3)=i 1 (A 2 B 3 -A 3 B 2)+i 2 (A 3 B 1 -A 1 B 3)+i 3 (A 1 B 2 -A 2 B 1)

Пример в динамич метеорологии:

Такие векторы, направление которых устанавливается соглашением и которые изменяют свое направление при замене правой системы координат на левую, называются аксиальными, например момент силы и угловая скорость. Векторы, направление которых определяется физическим смыслом и которые не меняют своего направления при изменении системы координат, называют полярными, например сила и скорость.

24. Понятие тензора. Пример в динам. Метеорологии

Те́нзор (от лат. tensus , «напряженный») - объект линейной алгебры, линейно преобразующий элементы одного линейного пространства в элементы другого. Частными случаями тензоров являются скаляры, векторы, билинейные формы и т.п.

Скаляр или тензор нулевого ранга - физическая величина, полностью определяемая в любой координатной системе одним числом (или функцией), которое не меняет­ся при изменении пространственной системы координат. Скаляр имеет одну компоненту.

Таким образом, если ф - значе­ние скаляра в одной системе коор­динат, а ф" - в другой, то ф"=ф.

Всякое препятствие, стоящее на пути ветра, возмущает поле ветра. Такие препятствия могут быть крупномасштабными, как горные хребты, и мелкомасштабными, как здания, деревья, лесные полосы и т.д. воздушное течение либо огибает препятствие с боков, либо переваливает через него сверху. Чаще происходит горизонтальное обтекание. Перетекание происходит тем лучше, чем неустойчивее стратификация воздуха, т.е. чем больше вертикальные градиенты температуры в атмосфере. Перетекание воздуха через препятствия приводит к очень важным следствиям, таким, как увеличение облаков и осадков на наветренном склоне горы при восходящем движении воздуха и, наоборот, рассеяние облачности на подветренном склоне при нисходящем движении.

Рисунок 56 – Орографическое усиление ветра

Очень существенно усиление ветра при попадании его в суживающееся орографическое ложе, например между двумя горными хребтами. При продвижении воздушного потока его поперечное сечение уменьшается. Т.к. сквозь уменьшающееся сечение должно пройти столько же воздуха, то скорость возрастает (рисунок 56). Этим объясняются сильные ветры в некоторых районах. Например, северные ветры во Владивостоке сильнее, чем в районах, расположенных севернее его. Тем же объясняется и усилением ветра в проливах между высокими островами и даже на городских улицах.

Перед препятствием и за ними иногда создаются так называемые наветренные и подветренные вихри.

Влияние полезащитных лесных полос на микроклиматические условия полей связано в первую очередь с ослаблением ветра в приземных слоях воздуха, которое создают лесные полосы. Воздух перетекает поверх лесной полосы и, кроме того, скорость его ослабевает при просачивании его сквозь просветы в полосе. Поэтому непосредственно за полосой скорость ветра резко уменьшается. С удалением от полосы скорость ветра увеличивается. Однако первоначальная, неослабленная скорость ветра восстанавливается только на расстоянии, равном 40-50-кратной высоте деревьев (в том случае, если полоса ажурная).

2. Силы, действующие в атмосфере:

сила горизонтального барического градиента;

ускорение (сила) Кориолиса;

центробежная сила;

сила тяжести (на возникновение ветра не влияет);

сила трения.

2.1. Сила горизонтального барического градиента.

Ветер возникает только под действием силы горизонтального барического градиента. Если бы характер воздушных течений зависел только от термической неоднородности поверхности земли и воздушных масс, то ветер определялся бы горизонтальным градиентом давления, и движение воздуха осуществлялось бы вдоль этого градиента от области высокого давления к области низкого. При этом скорость ветра была бы обратно пропорциональна расстоянию между изобарами.

В теоретической метеорологии силы обычно относятся к единице массы. Поэтому, чтобы выразить силу градиента давления, действующую на единицу массы, необходимо величину градиента давления разделить на плотность воздуха.

где ρ – плотность воздуха, – барический градиент.

По направлению эта сила совпадает с направлением нормали к изобаре в сторону убывания давления. Градиент в 1 гПа/100 км создает ускорение 0,001 м/с 2 (1 мм/с 2), 3 гПа/100 км – 0,003 м/с 2 . т.е. очень небольшие значения ускорения.

Если бы на воздух действовала только эта сила, то движение было бы равномерно ускоренным в направлении градиента (от высокого к низкому). При этом ветер достигал бы огромные, неограниченно растущие скорости. Но это в действительности не наблюдается.