Введение 3
Глава 1. Проблема замерзающих портов и ее решение 5
1.1. Проблема замерзающих портов 5
1.2. Опыт использования барботажных установок 8
1.3. Описание барботажной установки 14
Глава 2. Материалы и методы исследования 17
2.1. Математическое описание процесса барботажа 17
2.1.1. Зависимость параметров воздушно-пузырьковой завесы от величины
объемного расхода воздуха 17
2.1.2. Аналитическое решение уравнения баланса сил, действующих на
воздушный пузырь 19
2.1.3. Уравнения для скорости свободного всплытия воздушного пузыря в
воде в стоксовом, переходном и турбулентном режиме 21
2.2. Описание 2Э-модели пристеночного барботажа 24
2.3. Валидность модели 27
Глава 3. Численные эксперименты 32
3.1. Исходные данные и постановка задачи 32
3.2. Эксперимент №1 34
3.3. Эксперимент №2 40
3.4. Эксперимент №3 45
Заключение 57
Список источников 59
В данной работе исследуется проблема замерзающих портов, то есть портов, в которых круглогодично в холодный сезон образуется лед, препятствующий привычной навигации. Таким образом, возникает ситуация, которая требует дополнительных действий со стороны администрации порта, направленных либо на разрушение ледяного покрова, либо на предупреждение его образования.
С этой проблемой сталкиваются множество стран, которые территориально расположены в умеренном, субарктическом и арктическом климатических поясах. Это Россия, Канада, Норвегия, Финляндия и т.п.
Одним из решений является использование пузырьков воздуха вдоль линии причала для разрушения или предупреждения образования льда, который нарушает привычные условия стоянки и навигации судов. Ключевым моментом является тепловой запас водной массы.
Таким образом, система, состоящая из источника подаваемой теплой воды и барботажной установки у стенки причала, может решить исследуемую проблему.
Целью данной работы является исследование динамики конвективного перемешивания, возникающего вследствие термобарботажа в замерзающих портах Арктического региона, с помощью численного моделирования в рамках мелкомасштабной изменчивости.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить методы использования барботажных установок в ряде акваторий и их специфику;
2. Описать структуру негидростатический модели циркуляции воды под действием барботажа;
3. Выполнить численные эксперименты, направленные на исследование возникающей конвекции и ее влияния на поля температуры и солености;
4. Проанализировать полученные результаты.
Объектом исследования является покрытая льдом часть замерзающего порта. Предметом исследования - образовавшийся под действием системы источника подаваемой воды и барботажной установки конвективный обмен.
В данной работе было проведено исследование динамики конвективного перемешивания, возникающего вследствие термобарботажа в замерзающих портах Арктического региона, с помощью численного моделирования в рамках мелкомасштабной изменчивости.
Было выдвинуто предположение, что система, состоящая из источника подаваемой теплой воды и барботажной установки у стенки причала, может решить исследуемую проблему. С 1962 года наращивалась база численных и натурных экспериментов по исследуемой проблеме, что является хорошим подспорьем для данной работы. В работе учтены исследования, проведенные в акваториях Хельсинки [1, 2], Канадской Арктики [4, 5], Гренландии [6] и США [7, 8]. Анализируя в совокупности результаты использования
барботажных установок, можно сделать вывод о том, что данный метод борьбы с образованием льда в портах является перспективным и экономически эффективным.
Используемая в работе численная негидростатическая модель реализована в статье [16] для акватории порта Сабетта, где на одном из причалов была установлена экспериментальная барботажная установка. Начальное распределение отражало устойчивую вертикальную стратификацию, на поверхности образован сплошной лед.
На основе этой модели проведен ряд численных экспериментов, направленных на варьирование параметров модели, а также исходных данных, что позволило сделать следующие выводы:
1. С начала действия системы образуется факел теплой и соленой воды, который распространяется с течением времени в горизонтальном и вертикальном направлении, вглубь расчетной области, вытесняя исходные значения в сторону свободной границы и повышая среднюю температуру. Образовавшиеся скорости создают восходящий вертикальный поток в области причала, который распространяется в горизонтальном направлении на поверхности, далее трансформируясь в нисходящий поток. То есть возникает циркуляционная конвективная ячейка;
2. Изменение исходных данных (повышение температуры, понижение солености) мало влияет на общую картину. Однако можно заметить, что значения скорости течения несколько ниже, что позволяет сделать вывод об образовании менее интенсивного конвективного перемешивания;
3. С помощью такого параметра как температура воды источника помимо влияния на теплосодержание бассейна мы можем повлиять на скорость конвективных процессов, увеличивая ее с помощью больших значений температуры вливаемой воды и наоборот;
4. Уменьшение глубины источника или барботажной установки
влияет на горизонтальные процессы, убыстряя их, а увеличение - на вертикальные, также увеличивая скорость распространения тепла в этом направлении. При разной постановке задачи можно эффективно
использовать варьирование глубины установки системы в акватории порта, либо делая упор на прогрев боковой стенки пирса, либо используя для подогрева всей толщи;
5. К наиболее эффективным изменениям приводит увеличение давления воздуха в барботажной установке, в результате которого увеличивается частота отрыва воздушных пузырьков. Это форсирует движение воды, приводит к ускорению потоков течения. То есть происходящие процессы, включая образование циркуляционной ячейки в результате конвекции, будут происходить быстрее.
