URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Самолюбов Б.И. Плотностные течения и диффузия примесей
Id: 55799
 
640 руб.

Плотностные течения и диффузия примесей

URSS. 2007. 352 с. Твердый переплет.

 Аннотация

В монографии представлены результаты 30-летнего цикла экспериментальных и теоретических исследований придонных стратифицированных течений различной природы (интрузионных, линзовых, циркуляционных, индуцированных ветром и внутренними волнами и др.) и переноса примесей этими потоками. Проанализированы особенности распределений скорости, температуры, концентраций взвешенных и растворенных примесей в стремительных суспензионных потоках в горном водохранилище и в медленных плотностных течениях с термической и минерализационной стратификацией в 6 равнинных водохранилищах и 2 озерах. Рассмотрен ряд выявленных эффектов взаимодействия придонных, промежуточных и приповерхностных течений. Приведены разработанные методы математического моделирования течений с суспензионной, термической и минерализационной стратификацией. Представлены методы теоретического описания распределений коэффициента турбулентного обмена, спектров размеров частиц взвеси и диагностики течения по распределениям концентрации взвеси. Приведены математические модели транспорта взвешенных частиц и растворенных солей плотностными потоками. Модели апробированы по репрезентативной базе данных детальных структурных измерений на 9 полигонах. Исследования проводились при поддержке РФФИ по проектам 96-05-65856, 02-05-64494, 05-05-64870.

Книга рассчитана на специалистов по геофизической гидродинамике, океанологии, геологии, гидрологии, лимнологии, экологии, гидротехнике, а также на студентов соответствующих высших учебных заведений.


 Оглавление

Введение
1. Обзор результатов исследований придонных и промежуточных стратифицированных потоков
 1.1.Общая характеристика рассматриваемых потоков и основные понятия теории плотностных течений
 1.2.Плотностные потоки в озерах и водохранилищах
  1.2.1.Гравитационные и градиентные придонные стратифицированные течения
  1.2.2.Приповерхностные, промежуточные и придонные плотностные течения, индуцированные ветром и внутренними волнами
  1.2.3.Развитие стратифицированных течений, обусловленных термическим режимом водоемов
 1.3.Результаты исследований плотностных потоков в морях и океанах
  1.3.1.Придонные стратифицированные морские и океанические течения
  1.3.2.Стратифицированные потоки на открытых шельфах, в заливах и эстуариях
 1.4.Турбулентный обмен, внутренние волны и тонкие структуры в стратифицированных течениях
 1.5.Заключение по обзору публикаций
2. Преобразования плотностных течений по мере их распространения
 2.1.Объекты исследований и методика измерений
  2.1.1.Описание опорных полигонов
  2.1.2.Приборы и методы исследований
 2.2.Структуры течений на продольно-осевых разрезах стратифицированных потоков
 2.3.Теоретический профиль скорости плотностного течения с вторичным придонным потоком
  2.3.1.Постановка задачи
  2.3.2.Система уравнений модели и ее решение
 2.4.Основные результаты
3. Динамика придонных плотностных потоков
 3.1.Особенности придонных стратифицированных течений в горном и равнинных водохранилищах
 3.2.Теоретическое описание распространения суспензионных и термически стратифицированных потоков
 3.3.Модель течения, включающая полуэмпирическое продольное распределение числа Ричардсона
 3.4.Плотностное течение, взаимодействующее с дрейфовым потоком
  3.4.1.Развитие градиентно-гравитационного плотностного потока с ветровым энергообеспечением через высокоустойчивый термоклин
  3.4.2.Математическая модель течения и ее апробация
 3.5.Стратифицированный поток в среде с растущей по направлению течения плотностью придонных вод
  3.5.1.Структуры полей скорости течения и параметров состава воды
  3.5.2.Совместный анализ теоретических и измеренных распределений скорости течения и концентраций примесей
  3.5.3.О механизме распространения плотностного потока с двойным пограничным слоем
 3.6.Линзовое придонное плотностное течение
  3.6.1.Эволюция течения в его ядре и фронтальных зонах
  3.6.2.Математическая модель течения
 3.7.Основные результаты и выводы
4. Изменение гидродинамической устойчивости плотностного потока, взаимодействующего с дном и окружающими водами
 4.1.Воздействие процессов массообмена на устойчивость плотностного потока
 4.2.Теоретическое описание распределения числа Ричардсона
 4.3.Основные результаты изучения изменений устойчивости развивающегося потока
5. Эволюция структур стратифицированных течений под влиянием внутренних волн и ветра
 5.1.Поле возмущений скорости плотностного течения с внутренней волной
  5.1.1.Распределение возмущений по глубине, во времени и вдоль по потоку
  5.1.2.Вынужденная внутренняя волна. Дисперсионное соотношение и фазовая скорость
  5.1.3.Влияние внутренней волны и вторичных течений на плотностной поток, взаимодействующий с дном
  5.1.4.Основные результаты и выводы
 5.2.Циркуляционное плотностное течение
  5.2.1.Условия развития течения
  5.2.2.О природе течения
  5.2.3.Внутренняя волна и распределения параметров состава воды
  5.2.4.Основные результаты
 5.3.Плотностные потоки, вызванные ветром и внутренней волной
  5.3.1.Анализ экспериментальных данных о стратифицированных течениях с ветровым энергообеспечением
  5.3.2.Придонный плотностной поток, индуцированный ветром и внутренней волной
  5.3.3.Результаты исследования одновременного развития промежуточного и придонного течений, индуцированных ветром
  5.3.4.Расчет скоростей промежуточного и придонного течений
  5.3.5.Механизм развития плотностного течения, индуцированного ветром и внутренней волной
  5.3.6.Основные результаты
6. Структура придонных и промежуточных стратифицированных течений глубокого озера со сложным рельефом дна
 6.1.Преобразования стратифицированного течения по глубине и длине Телецкого озера в его широтной части
 6.2.Теоретическое описание течения со стоковой, струйной и придонной плотностной компонентами
  6.2.1.Основные уравнения и структура модели
  6.2.2.Методика расчета плотностного потока с внутренним реверсивным течением
  6.2.3.Расчет промежуточной стратифицированной струи и стокового течения
 6.3.Теоретические и измеренные распределения параметров течений
 6.4.Основные результаты и выводы
7. Диффузия и спектры размеров частиц взвеси в придонном стратифицированном течении
 7.1.Преобразования профилей коэффициента диффузии в развивающемся плотностном потоке
  7.1.1.Задачи исследований и характеристики изучаемого течения
  7.1.2.Распределение коэффициента обмена -- диффузионный триплет в плотностном течении
  7.1.3.Особенности диффузии взвеси в ядре и на границах развивающегося течения
  7.1.4.Распределения числа Шмидта и концентрации взвеси
  7.1.5.Расчет профилей скорости и пути смешения
  7.1.6.Резюме по результатам исследований распределения коэффициента турбулентного обмена в плотностном потоке
 7.2.Восстановление профиля скорости суспензионного течения по распределению концентрации взвеси
  7.2.1.Идея восстановления распределения скорости и постановка задачи
  7.2.2.Методика восстановления профиля скорости
  7.2.3.Сравнение восстановленных профилей скорости с измеренными
 7.3.Модель взаимодействия сдвиговых слоев и описание массообмена в плотностном течении
  7.3.1.Проблемы моделирования переноса примесей в плотностных потоках и перспективы их решения на базе гипотезы взаимодействия сдвиговых слоев
  7.3.2.Взаимодействие сдвиговых слоев плотностного течения
  7.3.3.Профили концентрации, температуры и функции взаимодействия
  7.3.4.Масштаб времени взаимодействия сдвиговых слоев
  7.3.5.О возможностях применения модели
 7.4.Спектры размеров частиц взвеси в суспензионном течении
  7.4.1.Распределения частиц по размерам и высоте над уровнем дна
  7.4.2.О диагностике взвесенесущего течения по гранулометрическим спектрам
  7.4.3.Изменения распределений концентрации и гранулометрического состава взвеси под влиянием внутренней волны в плотностном потоке
  7.4.4.Приложение к аналитическому описанию распределений частиц взвеси по размерам
  7.4.5.Итоги анализа спектров размеров взвеси
 7.5.Основные результаты и выводы
8. Перенос взвешенных и растворенных примесей придонными стратифицированными потоками
 8.1.Придонные плотностные течения и транспорт взвеси в водохранилищах и озерах
  8.1.1.Роль плотностных потоков в распространении взвесей в природных бассейнах и цели исследований этих процессов
  8.1.2.Характеристики изучавшихся плотностных взвесенесущих течений и особенностей транспорта частиц взвеси этими потоками
  8.1.3.Уравнения модели переноса взвеси
  8.1.4.Вертикальная компонента скорости течения
  8.1.5.Гидравлическая крупность взвеси
  8.1.6.Отношение концентрации взвеси на верхней границе течения к средней по его толщине
  8.1.7.Общая характеристика модели
  8.1.8.Сравнение измеренных и теоретических распределений концентрации
  8.1.9.Основные результаты и выводы
 8.2.Перенос растворенных солей придонными плотностными течениями
  8.2.1.Задачи исследований транспорта растворенных солей плотностными потоками
  8.2.2.Распределение концентрации растворенных солей в придонных стратифицированных течениях
  8.2.3.Уравнения модели переноса растворенных солей
  8.2.4.Концентрация солей на верхней границе течения
  8.2.5.Структура и методика применения модели
  8.2.6.Проверка модели по данным натурных измерений
  8.2.7.Выводы
 8.3.Основные результаты исследований распространения взвешенных и растворенных примесей плотностными потоками
Заключение
Литература

 Введение

В огромном и разнообразном мире течений особое место принадлежит скрытым в глубинах водохранилищ, озер, морей и океанов придонным плотностным потокам. Эти потоки могут менять рельеф дна, прорывая каньоны или формируя донные отложения. Они могут обладать разрушительной силой, разрывая подводные коммуникации, а могут способствовать развитию биосферы за счет вентиляции глубинных вод.

В целом, к придонным плотностным, или стратифицированным, относятся течения, устойчивость границ и во многом динамика которых определяются разностью плотностей жидкостей в потоке и над ним.

Гидрофизические наблюдения плотностных потоков берут свое начало еще в позапрошлом веке. Регулярные исследования получили развитие во второй половине XX столетия. Однако несмотря на давнюю историю и растущую активность экспериментальных и теоретических работ этого направления, в механике стратифицированных по плотности течений сохраняется ряд неясных вопросов ключевого характера. Во многом не раскрыты механизмы взаимодействия плотностных потоков с дном и течениями вышележащих вод, не поддаются в достаточной мере оценке эффекты влияния примеси одного типа на перенос другой. Остаются неясными важнейшие процессы формирования вторичных, внутренних течений в плотностных потоках и влияния на них вихреволновых структур. Необходима расшифровка механизмов зарождения и распространения линзовых потоков, течений, индуцированных ветром и внутренними волнами, а также потоков, обусловленных термическим режимом водоемов. К этому неполному перечню проблем следует отнести и ряд неясных вопросов теории турбулентного переноса взвешенных и растворенных примесей плотностными течениями.

В данной книге сделана попытка систематизации и обобщения результатов 30-летнего цикла структурных комплексных натурных и теоретических исследований плотностных течений.

Анализируются процессы распространения придонных стратифицированных течений различной природы (интрузионных, линзовых, циркуляционных, индуцированных ветром и внутренними волнами и др.) и транспорта примесей этими потоками. Рассматриваются особенности распределений скорости, температуры, концентраций взвешенных и растворенных примесей в стремительных суспензионных потоках в горном водохранилище и в медленных плотностных течениях с термической и минерализационной стратификацией в 6 равнинных водохранилищах и 2 озерах. Раскрывается ряд эффектов взаимодействия придонных, промежуточных и приповерхностных течений.

В книге приводятся разработанные с участием автора математические модели течений с суспензионной, термической и минерализационной стратификацией. Представлены методы теоретического описания распределений коэффициента турбулентного обмена, спектров размеров частиц взвеси и диагностики течения по распределениям концентрации взвеси. Рассматриваются математические модели транспорта взвешенных частиц и растворенных солей плотностными потоками. Все модели проверяются по репрезентативной базе данных детальных структурных измерений на 9 полигонах: на равнинных Можайском, Рузском, Озернинском, Истринском, Вазузском, Иваньковском и горном Нурекском водохранилищах и на озерах Имандра и Телецком.

Фундаментальное значение исследований плотностных потоков сочетается с их практической и, прежде всего, экологической важностью. Так, результаты, полученные на перечисленных выше равнинных водохранилищах, представляют значительный интерес для развития методов прогноза и регулирования процессов формирования качества воды в водохранилищах системы водообеспечения г.Москвы. Исследования плотностных течений в Телецком озере, одном из крупнейших в восточной Сибири и гидрофизически весьма слабо изученном, важны для прогноза гидрологического режима и изменений состава воды с учетом влияния на них плотностных потоков. Приведенные данные о транспорте взвеси плотностным потоком в губе Белой, на озере Имандра, крупнейшем на Кольском полуострове, и методы теоретического описания этого течения необходимы для учета поступления примесей в этот водоем, испытывающий мощную техногенную нагрузку. Анализ экспериментальных данных и теоретические исследования суспензионных потоков в Нурекском водохранилище существенно повышают возможности расчета распространения этих течений и транспорта взвеси для усовершенствования методов прогноза заиления водохранилищ и разрушения подводных сооружений.

В настоящее время известна только одна монография, посвященная придонным плотностным взвесенесущим течениям, опубликованная автором 7 лет назад. Настоящая работа является естественным развитием предшествующей, с учетом большого объема новых экспериментальных и теоретических результатов.

Монография состоит из восьми глав. В первой главе приводится обзор результатов исследований стратифицированных потоков. Систематизированы данные из публикаций о 29 потоках в озерах и водохранилищах и 30 морских и океанических придонных стратифицированных течениях. Обзор охватывает итоги работ по следующим направлениям:

-- изучение плотностных потоков в озерах и водохранилищах, включая:

а) гравитационные и градиентные придонные течения;

б) потоки, индуцированные ветром и внутренними волнами;

в) течения, обусловленные термическим режимом водоемов;

-- исследования морских и океанических стратифицированных потоков, в том числе:

а) придонных плотностных течений;

б) потоков на открытых шельфах и в эстуариях;

-- выявление закономерностей турбулентного обмена, развития внутренних волн и тонких структур в плотностных потоках.

Во второй главе рассматриваются результаты проведенных при непосредственном участии автора исследований структурных преобразований плотностных течений, распространяющихся в водоемах со слабым и сильным водообменом. Дается описание опорных полигонов, приборов и методов исследований. Представлены данные о распределениях скорости и параметров состава воды по глубине и длине суспензионных потоков, течений с термической и минерализационной стратификацией.

Третья глава посвящена динамике придонных плотностных потоков. Анализируются механизмы распространения течений. Представлены математические модели потоков и итоги их апробации. Приводятся результаты натурных исследований и математического моделирования процессов распространения градиентных плотностных течений с ветровым энергообеспечением, потоков линзового типа и течений с двойным пограничным слоем.

В четвертой главе систематизируются закономерности изменений гидродинамической устойчивости плотностного течения в зависимости от типа стратификации и рельефа дна, от эффектов взаимодействия потока с дном и интенсивности водообмена в данном бассейне (от проточности водохранилища), от концентрации поступающих в поток примесей техногенного или естественного происхождения, а также от расположения источников поступления примесей в водоем.

В пятой главе приводятся данные структурных комплексных исследований изменений поля возмущений скорости суспензионного потока по его глубине и длине. Рассматриваются выявленные механизмы и разработанные методы описания преобразований поля возмущений. Представлены результаты исследований циркуляционного термически стратифицированного течения на плесе водохранилища. Анализируется развитие плотностных потоков, индуцированных ветром и внутренними волнами, по данным натурных измерений и теоретических исследований.

Шестая глава посвящена анализу результатов комплексных исследований стратифицированных течений Телецкого озера. Рассматриваются процессы формирования плотностного потока и промежуточной струи, образующихся при перетекании наклонной плавучей струи через подводный порог и распространяющихся с мощными топографическими возмущениями на участке со сложным рельефом дна.

В седьмой главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований распределения коэффициента турбулентного обмена в плотностном течении по его глубине и длине, разработанная модель взаимодействия сдвиговых слоев стратифицированного придонного потока, методика аналитического представления гранулометрических спектров взвеси с учетом процессов турбулентного и волнового переноса частиц, методы диагностики структуры течения по спектрам размеров частиц взвеси.

В восьмой главе рассматриваются процессы переноса взвешенных и растворенных примесей придонными стратифицированными потоками. Представлены результаты изучения транспорта взвешенных частиц и растворенных солей придонными стратифицированными течениями в природных водоемах. Рассматриваются данные комплексных структурных измерений и построенные с учетом выявленных эффектов математические модели распространения примесей. Анализируются процессы переноса примесей и апробируются методы математического моделирования, разработанные для расчета продольных распределений концентраций взвеси и растворенных солей в плотностных течениях.

Автор глубоко признателен сотрудникам, аспирантам и студентам физического факультета МГУ, участие которых в натурных и теоретических исследованиях способствовало получению представленных в книге материалов. Считаю своим приятным долгом выразить благодарность соавторам совместных публикаций, цитируемых в монографии, и коллективу кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ за помощь и поддержку.

Особая благодарность Российскому фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку исследований, проводившихся по проектам N96--05--65856, N99--05--64045, N02--05--64494,--05--64870.

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце