Проблемы гидродинамики, гидрофизики и экологии крупных водоемов Сибири (Отчет по междисциплинарному интеграционному проекту фундаментальных исследований), страница 8

В процессе всего эксперимента проводилось визуальное наблюдение. Сразу после отмеченного выше резкого повышения температуры (t = 196 минут) появляются дендриты, занимающие область около верхней медной стенки, толщиной ~4-5 мм. Дендриты длиной порядка 5 мм редки, отстоят друг от друга на расстоянии 2-4 см. Мелкие дендриты покрывают всю поверхность медной пластина. Через приблизительно 3-4 минуты дендриты исчезают, и появляется гладкий тонкий слой льда на поверхности верхней медной пластины. В течение всего дальнейшего эксперимента толщина льда увеличивается.

В течение эксперимента проводилось фотосъемка процесса образования льда в строго фиксированные моменты времени. Обработка результатов фотосъемки позволила определить толщину слоя льда в разные моменты времени. На рис. 2.12 приведена зависимость толщины слоя льда от времени. Началом отсчёта времени, для этого графика взят момент времени резкого изменения температуры. Для заданного режима охлаждения границ определена средняя скорость роста толщины слоя льда (V = 0,0088 мм/мин).

В нестационарных режимах теплообмена отработана методика проведения видеосъемка течения (с использованием различных способов визуализации) и эволюции формы фронта лед-вода.

Параллельно проведено численное моделирование конвекции в горизонтальных слоях воды (в диапазоне температуры выше точки инверсии плотности) и других жидкостей с числами Прандтля от 5 до 50 при граничных условиях первого рода и в сопряженной постановке задач. В последнем случае задачи решены в стационарной и нестационарной постановке. Проведены расчеты полей температуры в жидкости и в твердой верхней границе слоя с теплопроводностью близкой к теплопроводности жидкости. Начаты расчеты с учетом зависимости плотности воды от температуры в диапазоне от +8°С (на нижней границе слоя) до −8°С (на верхней границе слоя).

Таким образом, за 2013 год силами ИТ СО РАН:

1. Модернизирован стенд и рабочие участки установки для проведения экспериментов на воде.

2. Сконструированы теплообменники для использования теплоносителя с температурой до −30ºС для экспериментов в режимах с интенсивным выхолаживанием свободной и жесткой поверхности, ограничивающей сверху слой воды и в условиях формирования слоя льда.

3. Сконструирован и изготовлен зонд, состоящий из 17 термометров сопротивления, для измерений профилей нестационарной средней температуры по высоте слоя жидкости и в слое льда.

4. Проведены исследования нестационарных полей температуры в слое воды заданной высоты и в слое льда в режимах охлаждения верхней границы с заданной скоростью.

5. Проведены численные исследования конвекции в слоях воды и других жидкостей при  различных граничных условиях.

2.3. О граничном условии для горизонтальной скорости подо льдом в глубоком стратифицированном водоеме.

В настоящее время широко используется граничное условие для горизонтальной скорости на дне, разработанное в ИГиЛ СО АН СССР [1, 2]:

где  – горизонтальная скорость,  – коэффициент турбулентной вязкости,  – коэффициент придонного трения.

Коэффициент придонного трения можно выразить как

где  – динамическая скорость, .

В свою очередь, согласно [1],  можно представить как

где  – высота выступов шероховатости,  – коэффициент кинематической вязкости.

В кандидатской диссертации С.В. Думнова (ИГиЛ СО АН СССР) используется формула из [3], описывающая данную зависимость в режиме течения без проявления шероховатости и в переходном режиме:

Придельный случай этой формулы хорошо согласуется с исследованиями Никурадзе [4], из экспериментов которого следует, что при , т.е. в режиме течения с полным проявлением шероховатости, . Этому соответствует значение , которое используется в ИВЭП.