Способ моделирования крупномасштабных атмосферных течений и устройство для его реализации

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2388062:

Батчаев Анзор Муниаминович (RU)

Изобретение относится к области геофизической гидродинамики и может быть использовано при моделировании крупномасштабных атмосферных течений. Согласно изобретению в способе моделирования крупномасштабных атмосферных течений создают течения в канале сферической формы, вращающемся относительно оси симметрии канала. Способ реализуется устройством, содержащим сферический канал, установленный на вращающейся платформе. Канал заполнен электролитом. Во внутреннюю стенку канала вмонтированы системы медных электродов и магнитных полос, расположенных по определенным углам для создания требуемого профиля индукции магнитного поля. С помощью медных электродов через электролит пропускают электрический ток, регулируя желаемым образом плотность тока через электролит. Взаимодействие тока и магнитного поля вызывает силу, под действием которой электролит приходит в движение. Наличие вращения канала приведет к тому, что на движущийся электролит будет действовать сила Кориолиса, соответствующая силе, действующей в реальной атмосфере. Благодаря подбору значений угловой скорости вращения канала, индукции магнитного поля и плотности тока в электролите изобретение позволяет установить отвечающие реальной атмосфере значения основных безразмерных параметров течения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области геофизической гидродинамики. В частности к способу лабораторного моделирования крупномасштабных динамических процессов в атмосфере.

Изобретение может быть использовано для изучения генерации крупномасштабных вихревых возмущений за счет сдвиговой неустойчивости струйных зональных течений.

Известны аналогичные устройства, где сдвиговые течения создаются на горизонтальном кольцевом [1] и вертикальном замкнутом [2] каналах.

Известно устройство, более близкое к предложенному по своему устройству [3] (прототип). Схема устройства представлена на фиг.1. Течение создается внутри вертикального замкнутого канала 1, ограниченного сверху и снизу медными электродами 2. Во внутреннюю стенку канала вмонтированы магнитные полоски чередующейся полярности, которые создают внутри канала пространственно-периодическое магнитное поле. Вертикальная к поверхности стенки составляющая индукции В имеет близкий к синусоидальному профиль вдоль образующей канала. Канал заполняется электролитом (раствор CuSO₄). Когда между электродами пропускается электрический ток плотности j, на частицы единичной массы действует магнитогидродинамическая сила

Вертикальный профиль 3 действующей на жидкость внешней силы, пропорциональной силе Ампера, близок к синусоидальному. При малых значениях j профиль течения определяется профилем F - в канале устанавливается первичное течение, представляющее собой систему ламинарных струй чередующейся направленности. При увеличении j и переходе через критическое значение первичный ламинарный режим теряет устойчивость и вместо него формируется вторичный квазистационарный вихревой режим. При дальнейшем увеличении j вихревой режим также теряет устойчивость и в течении возбуждаются автоколебания. Изучение подобных переходных процессов в простых лабораторных течениях оказывается полезным при изучении баротропной неустойчивости зональных струйных течений как одного из возможных механизмов циклогенеза и установления периодических процессов большой длительности в атмосфере.

Однако данное устройство имеет два принципиальных недостатка - не учитывается сферичность атмосферного слоя и отсутствует вращение. В данной модели отсутствует сила Кориолиса, играющая определяющую роль в динамике атмосферы.

Целью данного изобретения является моделирование крупномасштабных динамических процессов в баротропной несжимаемой атмосфере.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе исследуемые течения создаются в установке со сферическим каналом, которая укреплена на вращающейся платформе.

Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему чертежей: на фиг.2 приведена функциональная схема устройства; на фиг.3 приведена отдельная схема установки со сферическим каналом, которая на фиг.2 показана прикрепленной к вращающейся платформе. На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:

фиг.2

1 - установка со сферическим каналом, 2 - вращающаяся платформа, 3 - система крепления установки, 4 - пульт управления, 5 - корпус вращающейся платформы, 6 - скользящие контакты, 7 - телекамера и телевизор.

фиг.3

8 - внутренний шар, 9 - сферический канал, 10 - вмонтированные во внутреннюю стенку канала медные электроды, 11 - магнитные полоски, 12 - отверстие для поступления в канал электролита, 13 - винты для крепления внещней оболочки, 14 - внешняя сферическая оболочка, состоящая из двух частей, 15 - крепежный стержень.

Предложенный способ может быть осуществлен показанным на фиг.2 устройством, содержащим установку со сферическим каналом 1, укрепленной на вращающейся платформе 2 системой крепежа 3. Пульт управления 4 расположен на корпусе 5 платформы. Через скользящие контакты 6 осуществляется питание установки и связь телекамеры с телевизором 7. Как и в [1-3] течение создается с помощью магнитогидродинамической силы F. Магнитные полосы могут быть расположены на разных углах θ_i, что позволяет изменять профиль индукции магнитного поля В={B_r, В_φ, В_θ}. Кроме этого, плотность тока через электролит, представимый вне окрестности электродов как j={0,0, j_θ}, регулируется с помощью расположенных между магнитными полосками дополнительных электродов. Таким образом, на данной установке можно регулировать профиль внешней силы F. Параметры течения контролируются из пульта управления 4. Укрепленная на платформе телекамера 7 позволяет через телевизор 7 следить за течением визуально. Схема установки со сферическим каналом показана более крупным планом на фиг.3. Концентрические сферические поверхности внутреннего шара 8 и внешней оболочки 14 ограничивают рабочий канал 9 и скреплены с помощью стержня 15. На поверхности шара вмонтированы электроды 10 и магнитные полоски 11. Через отверстие 12 канал заполняется электролитом (раствором CuSO₄). Если через электролит пропустить ток плотности j(θ), на частицы жидкости будет действовать сила F.

Устройство будет работать следующим образом. Включается платформа и подбирается требуемое значение Ω. Затем включается питание сферической установки и под действием силы F частицы жидкости придут в движение. Из-за наличия вращения на них одновременно начнет действовать и сила Кориолиса F_K~-[Ω, ν], где ν - скорость рассматриваемого элемента жидкости в связанной с вращающейся установкой системе координат. Так как канал имеет сферическую форму и рассматриваемое течение квазидвумерно, величина F_K меняется с широтой пропорционально радиальной составляющей Ω. Как и в реальной атмосфере, F_K принимает максимальные значения на полюсах и убывает до нуля к экватору. Другими словами, имеет место β-эффект, играющий определяющую роль в динамике общей циркуляции атмосферы и крупномасштабных движений в океане.

По данному техническому предложению в мастерской ИФА РАН было изготовлено устройство в количестве одного экземпляра.

Литература

1. Довженко В.А., Новиков Ю.В., Обухов A.M. "Моделирование процесса генерации вихрей в аксиально-симметричном азимутальном поле магнитогидродинамическим методом." / Изв. АН СССР. ФАО. 1979. Т.15. №11. С.1199-1202.

2. Батчаев А.М., Довженко В.А. "Лабораторное моделирование потери устойчивости периодических зональных течений." / Докл. АН СССР. 1983, Т.273. №3. С.582-584.

3. Батчаев А.М. "Экспериментальное исследование закритических режимов течения Колмогорова на цилиндрической поверхности. " /Изв. АН СССР. ФАО. 1988. Т.24. №8. С.844-851.

1. Способ моделирования крупномасштабных атмосферных течений путем возбуждения исследуемых течений, отличающийся тем, что, с целью моделирования крупномасштабных динамических процессов в баротропной несжимаемой атмосфере, создаются течения внутри канала сферической формы, вращающегося относительно оси, проходящей через ось симметрии канала.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее рабочий канал, систему аксиально-симметричных постоянных магнитов и систему медных электродов, вмонтированных во внутреннюю поверхность канала, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вращающейся платформой и рабочий канал имеет сферическую форму, причем канал соосно укреплен на вращающейся платформе.

Изобретение относится к специальному оборудованию, предназначенному для обучения студентов вузов и колледжей техническим дисциплинам, а более конкретно для практического изучения основного закона гидростатики, различных видов давления (давление вакуума, избыточное давление, атмосферное давление), приборов для измерения давления, а также единиц измерения давления.

Комплекс автоматизированный учебно-лабораторный для определения характеристик и режимов гидромашин // 2379762

Изобретение относится к оборудованию для демонстрационно-практического определения студентами характеристик работы центробежного насоса, совместной работы двух насосов, включенных в сеть параллельно и др.

Устройство стендового автоматизированного лабораторного комплекса для изучения гидродинамических процессов с измерениями и обработкой результатов в программной среде lab view // 2339084

Изобретение относится к оборудованию для демонстрационно-практического изучения основных гидродинамических процессов и может быть использовано при изучении критерия Рейнольдса, режимов преобразования форм энергии потока жидкости (уравнение Бернулли), примеров практического применения уравнения Бернулли - расходомер Вентури, гидравлических сопротивлений с построением виртуальных гидравлических схем, с измерением гидравлических параметров и одновременным построением графических зависимостей на мониторе персонального компьютера и копированием на жестких носителях информации.

Способ имитации природного гейзера и устройство для его осуществления // 2331815

Изобретение относится к созданию учебных пособий, наглядно поясняющих явления природы. .

Способ демонстрации вихревого резонанса при спинапе и регистрирующий электрод // 2305869

Изобретение относится к области гидродинамики и может быть использовано в качестве наглядного пособия при изучении переходных процессов во вращающейся жидкости. .

Учебно-лаборатарное устройство для демонстрации работы гидроциклона // 2216050

Изобретение относится к техническим обучающим средствам и может быть использовано при создании учебно-лабораторного оборудования по гидравлике и физике для высших, средних специальных учебных заведений.

Демонстрационный прибор по физике // 2120666

Способ моделирования нестационарного течения вещества // 2107329

Изобретение относится к научным моделям в технической физике, а именно к способам моделирования нестационарных течений вещества, может найти применение для исследований в области инерционного термоядерного синтеза (ИТС), для решения прикладных задач, связанных с необходимостью исследования непрозрачных сред, например в технических энергоемких устройствах в процессах, происходящих при их эксплуатации (перемешивание продуктов горения и различных присадок в двигателях внутреннего сгорания, аналогичные процессы в реакторной и ракетной технике и т.п.), или в изучении экологически опасных аварийных ситуаций (взрыв нефтехранилищ, складов боеприпасов т.п.), а также может найти применений в решении проблемы прогнозирования климатических явлений или последствий различных экстремальных природных явлений (извержение вулканов, процессы на Солнце, на других космических объектах и т.п.).

Экспериментальная установка // 2085999

Устройство для демонстрации влияния факторов электрического тока на биологическую ткань // 2019871

Изобретение относится к обучающим устройствам по технике и мерам безопасности и может быть использовано для демонстрации опасных факторов, влияющих на исход поражения электротоком.

Способ лабораторного моделирования задач газодинамики и устройство для его осуществления (варианты) // 2393546

Изобретение относится к области обучения студентов ВУЗов и аспирантов по механике, а также при проведении лабораторных работ по курсу "Газодинамика"

Учебный прибор для моделирования движения и взаимодействия частиц вещества // 2397550

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям и может быть использовано на занятиях, преимущественно, по физике для моделирования движения и взаимодействия частиц вещества

Газоразрядная трубка для демонстрации тлеющего разряда // 2405213

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям, и касается газоразрядной трубки, предназначенной для проведения демонстрационных опытов, преимущественно, в условиях типового кабинета физики общеобразовательных учебных учреждений при изучении особенностей тлеющего разряда

Лабораторный модуль // 2473388

Изобретение относится к лабораторному оборудованию, которое широко используется в учебных заведениях (см., например, Д.В.Штеренлихт

Автоматизированный тепловой пункт // 2567226

Изобретение относится к стендам для лабораторных работ, применяемым при обучении студентов, изучающих дисциплину «Электротехнология». Автоматизированный тепловой пункт (устройство преобразования электрической энергии в тепловую), содержит параллельно соединенные между собой тэновый, электродный и вихревой подогреватели воды, отопительный прибор, бойлер со змеевиком, насос, термодатчики, щит управления, расходомер, систему трубопроводов, при этом в него введены электромагнитные клапаны, программируемый контроллер для управления и регулирования режимами нагрева, бойлер выполнен сообщающимся с атмосферой для осуществления процесса тепломассообмена, сборка всех элементов выполнена с использованием резьбовых соединений предусматривающее возможность введения в процесс новых элементов. Это позволяет уменьшить габариты устройства, а также упростить его обслуживание. 5 ил.

Лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса // 2580230

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для исследования процессов, связанных с интенсивным тепломассопереносом. Лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса содержит рабочий участок, состоящий из прямоугольного корпуса из латуни, на дно которого поочередно установлены теплоизоляционный материал, электронагреватель в виде плоского нагревательного элемента, подключенный к источнику питания, металлическая пластина и подложка, на которую налита низкокипящая жидкость. На верхней и на нижней стороне металлической пластины симметрично выполнены выемки, в каждой из которых установлена термопара. Термопара для измерения температуры жидкости погружена в нее. Все термопары через аналого-цифровой преобразователь соединены с персональным компьютером. В верхней части корпуса выполнено отверстие для щупа в виде стальной иглы, закрепленной на прецизионном устройстве, подключенном к персональному компьютеру. Источник света, диффузор, щит с отверстием, двояковыпуклая коллимирующая линза, прямоугольный корпус, двояковыпуклая конденсирующая линза и видеокамера последовательно расположены на оптической столешнице так, что они размещены на одной оси, проходящей через слой жидкости, налитой на подложку рабочего участка. Технический результат: позволяет исследовать процессы испарения и кипения. 3 ил.

Устройство для доказательства свойств гидростатического (весового) давления жидкости // 2584121

Изобретение относится к устройствам для проведения лабораторных работ по курсу «Гидравлика». Устройство для доказательства трех свойств весового гидростатического давления содержит замкнутую емкость, выполненную из тонколистового материала и имеющую поверхности, наклоненные к горизонту под разными углами, соединенные с емкостью прозрачные трубки-пьезометры. Одна из трубок, с воронкой, служит для наполнения емкости водой. Другие трубки выполнены как сообщающиеся сосуды для фиксации уровней воды на одном горизонте. Две трубки присоединены к емкости на одном уровне, но к различно наклоненным поверхностям емкости, а одна подключена у дна емкости. В различно наклоненных к горизонту поверхностях емкости просверлены отверстия с возможностью закрывания их пробками, служащие для визуального наблюдения траекторий струек воды. 1 ил.

Способ имитационного космического исследования // 2639624

Изобретение относится к сфере космических исследований и может быть применено для экспериментальной отработки и выполнения техники, предназначенной для использования в условиях Марса. В пространстве барокамеры, снабженной системой охлаждения, выполняют взвесь пылевых частиц, соответствующих по размерам и химическому составу марсианской пыли, в газовой среде, соответствующей марсианской атмосфере по химическому составу, температуре, давлению и содержанию пылевых частиц, и воздействуют излучениями на эту взвесь. Техническое решение позволяет обеспечить исследования свойств взвеси марсианской пыли в марсианской атмосфере в аспекте поглощения излучений.

Лабораторная установка по гидравлическим исследованиям // 2646559

Изобретение относится к устройствам для обучения при проведении лабораторных работ по курсу «Гидравлика». Оно состоит из напорного бака с подводом воды, водомерного устройства, пьезометра-уровнемера из прозрачной трубки, водовыпускных отверстий, выполненных непосредственно в щите-затворе, ось вращения которого расположена с некоторым эксцентриситетом относительно большого главного отверстия в передней стенке напорного бака. Отверстия в щите-затворе расположены на одной окружности так, чтобы при вращении щита-затвора вокруг оси центры водовыпускных отверстий совпадали с центром большого отверстия в стенке напорного бака. Во избежание утечек во время эксперимента и при вращении щита-затвора предусмотрено уплотнение в виде манжеты-тора, вставляемой в круглую канавку, расположенной с внешней стороны большого отверстия. Плотное прижатие щита-затвора к манжете обеспечивается осью-болтом с шайбами, пружиной и гайкой. Внедрение изобретения позволит экономить время, расход воды, получаемой из централизованного водоснабжения, или электрическую энергию при лабораторном оборотном водоснабжении с помощью насосов. 3 ил.