За время измерений плотность потока тепла во льду постепенно снижалась от 80 до 10 Вт/м2, а плотность потока тепла из воды изменялась от 4 до 22 Вт/м2 (на стадии нарастания ледового покрова поток тепла во льду всегда больше потока тепла из воды вследствие выделения тепла при фазовом переходе «вода-лёд»). После 6 марта, когда потоки тепла стали сравнимыми, практически прекратилось нарастание ледового покрова (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Изменение толщины ледового покрова и удельных потоков тепла в период ледостава на озере Байкал.
1) толщина ледового покрова; 2) удельный поток тепла во льду; 3,4) рассчитанный по формулам (2.2) и (2.3), соответственно, поток тепла в подледном пограничном слое воды.
При нарастании толщины ледового покрова нижняя граница льда приближается к температурным датчикам, исходно расположенным в воде, что эквивалентно движению датчиков к границе раздела вода-лед. Датчики последовательно переходят из нижнего турбулентного слоя в буферную зону, затем в ламинарный пограничный слой и, наконец, вмерзают в лед. Согласно нашим данным, толщина ламинарного слоя в 2013 году лежала в интервале от 2 до 5 мм.
Несмотря на нестационарность внешних условий и, как следствие, изменение толщины ламинарного слоя во время пересечения его отдельными датчиками, можно примерно определить градиент температуры в тонком подледном слое и оценить плотность теплового потока:
, (2.3)
где
–
коэффициент молекулярной теплопроводности воды (0,569 Вт/м2/°С).
Градиенты
температуры (
)
и соответственно плотности тепловых потоков для вмерзавших датчиков были
рассчитаны по осредненным данным (интервал осреднения 100 мин) для моментов
времени, соответствующих положению соответствующих датчиков на расстоянии 1
мм от нижней границы льда. Результаты расчетов приведены на рисунке 2.3
треугольными маркерами (4).
Оценки теплового потока на границе «вода – лед», определенные разными методами хорошо согласуются между собой (рис. 2.3). Вариации плотности теплового потока из воды в лед за период наблюдений обусловлены изменениями температуры подледного слоя воды и скоростей подледных течений.
По результатам измерений электромагнитным измерителем INFINITY-EM (JFE Advantech Co., Ltd.) расположенном на расстоянии 120 см от поверхности ледового покрова среднесуточная скорость течений в подледном слое воды изменялась от 0,7 до 4,3 см/с, причем скорости течений уменьшаются в полнолуние и новолуние. Средняя скорость течения за время измерений составляла 2,14 см/сек (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Среднесуточный модуль скорости течения на расстоянии 1,2 м от поверхности льда.
На рисунке 2.5 приведена прогрессивная векторная диаграмма направления и скорости подледных течений за все время эксперимента.
Рис. 2.5. Прогрессивная векторная диаграмма направления и скорости подледных течений.
Несмотря на довольно сильную изменчивость скоростей, в среднем преобладает перенос от берега (~190º). Красными участками на диаграмме выделены интрузии теплой воды 28-29 января и 6-7 февраля (см. рис. 2.1), вероятно, вызванные поступлением вод из менее заснеженной северной части Южного Байкала. Синими участками выделены интрузии холодной воды 10-13 марта и 1-3 апреля (см. рис. 2.1), происходившие после проявления юго-восточных течений, несущих с собой воду из более заснеженной западной части Южного Байкала.
2.2. Экспериментальное исследование процесса формирования льда на верхней охлаждаемой твердой границе горизонтального слоя воды.
В ИТ СО РАНпроведена модернизация экспериментального стенда и рабочих участков установки для проведения экспериментов по исследованию нестационарных полей температуры при формировании льда на горизонтальном слое воды в режимах охлаждения верхней границы с заданной скоростью.
1. Экспериментальный стенд и методики измерений.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.