Проблемы гидродинамики, гидрофизики и экологии крупных водоемов Сибири (Отчет по междисциплинарному интеграционному проекту фундаментальных исследований), страница 13

2. Порядок проведения эксперимента.

В установку устанавливался зонд с термометрами сопротивления. Устанавливался верхний теплообменник, предварительно он был выставлен на необходимом расстоянии от дна, задавая толщину слоя воды с помощью микровинтов, опирающихся на массивные боковые стенки. Установка заполнялась дистиллированной водой так, чтобы не было пузырей воздуха под верхним теплообменником и чтобы уровень воды в полости был выше высоты слоя на 2-4 см. Таким образом зазор между верхним теплообменником и боковыми стенками был заполнен водой. Сигнальные провода от термопар и термометров сопротивления выводились через этот зазор.

В исходном состоянии жидкость и весь рабочий участок были практически изотермическими. Включалась система записи информации. Включались термостаты, выставленные на заданные температуры. Начальная температура теплоносителей в термостатах была близка к комнатной. В процессе эксперимента проводилась фотосъёмка рабочего объёма воды через боковую стенку при дополнительной подсветке осветителем через щелевую диафрагму. Фотосъемка проводилась после начала образования льда и в процессе роста льда в строго контролируемые моменты времени. По полученным фотоснимкам определялась толщина образовавшегося льда, определялась скорость роста слоя льда.

3. Полученные результаты.

На рис.2.7 представлены зависимости температуры верхней медной пластины (кривая 1), нижней медной пластины (кривая 2) и разности температуры между пластинами (кривая 3) от времени. Первые 35 минут жидкость находилась в изотермическом состояние при температуре 25^оС. Затем наблюдается охлаждение пластин приблизительно по линейному закону. Верхняя пластина (чёрный цвет линии) охлаждалась со скоростью 0,19 ^оС/мин, нижняя пластина (красный цвет линии) охлаждалась со скоростью 0,113^оС/мин. Нижняя граница через 120 минут охлаждения вышла в стационарный режим с температурой приблизительно +6 ^оС, которая оставалась постоянной до конца эксперимента. Верхняя граница через 125 минут охлаждения достигла температуры Т₁ = 0^оС, и продолжая охлаждаться с меньшей скоростью, приблизительно равной 0,07^оС/мин, достигла минимальной температуры Т₁ = − 3,75^оС в момент времени 195 минут от начала эксперимента. В этот момент происходит почти мгновенное повышение температуры до 0^оС.

На рис. 2.8 приведён профиль температуры в момент времени t = 128 минут. Профиль температуры типичен для термогравитационной конвекции в горизонтальном слое жидкости при подогреве снизу. Средняя температура в объёме слоя несколько выше средней температуры, рассчитанной по температурам медных пластин (Т₁ + Т₂)/2, и это связано с тем, что процесс квазистационарный, происходит медленное охлаждение, но конвективное течение успевает создавать профиль температуры, характерный для рэлей-бенаровской конвекции. Следует отметить, что вид профиля меняется, когда часть жидкости будет иметь температуру ниже 4^оС.

Далее до конца эксперимента верхняя пластина равномерно охлаждается со скоростью 0,025^оС/мин и к концу эксперимента достигает температуры Т₁ = −3,75^оС. Перепад температуры между пластинами ведёт себя достаточно сложным образом. В интервале времени от 50 до 150 минут наблюдается линейный рост перепада температуры со скоростью 0,025^оС/мин. Далее перепад температуры растет с большей скоростью и в момент времени 195 минут от начала эксперимента достигает максимума, равного ΔТ = 9^оС. Далее наблюдается почти мгновенный спад до ΔТ = 6^оС, и линейный рост со скоростью 0,025^оС/мин до перепада температуры в ΔТ = 7,5^оС к концу эксперимента.