Drobnoskalowa turbulencja w procesie mieszania chmury z otoczeniem - model laboratoryjny

• Autorzy: Korczyk P. M.

Warianty tytułu

EN

Effect of could water on small-scale turbulence - laboratory model

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zrozumienie procesu powstawania tzw. ciepłego deszczu, (tzn. formowania się opadu atmosferycznego wskutek złożonych oddziaływań hydrodynamicznych zawiesiny kropel i atmosfery) jest wciąż nierozwiązanym problemem fizyki atmosfery, którego wyjaśnienie miałoby wielkie znaczenie dla współczesnej meteorologii i klimatologii. Trudności teoretyczne i brak wiarygodnych informacji doświadczalnych powodują konieczność stosowania w modelach atmosferycznych bardzo uproszczonych parametryzacji. Powszechnie przyjmuje się, że krople deszczowe powstają w wyniku zderzeń kropel chmurowych. Dla rozwiązania stochastycznego równania opisującego ewolucję rozmiarów zespołu kropel wskutek zderzeń konieczna jest znajomość statystyki prędkości kropel w polu turbulencji wewnątrz chmury. Pomiarów tego rodzaju statystyk nie przeprowadzono wcześniej, co więcej w światowej literaturze naukowej nie ma żadnych prac pomiarowych dokumentujących własności drobnoskalowej turbulencji w chmurach. Celem naukowym pracy było wypełnienie tej luki i uzyskanie danych pomiarowych o oddziaływaniach hydrodynamicznych i termodynamicznych w strukturze chmurowej poprzez analizę statystyczną pól prędkości kropel w laboratoryjnym modelu chmury. W ramach pracy skompletowany został układ eksperymentalny umożliwiający badania laboratoryjne procesu turbulentnego mieszania różnych mas powietrza z udziałem parujących kropelek wodnych. Głównym elementem układu była szklana komora o wymiarach 1,8m x 1m x 1m, w której zachodził badany proces mieszania obserwowany przez kamerę CCD, umieszczoną na zewnątrz komory. Zastosowanie anemometrii obrazowej (z angielskiego PIV - Particle Image Velocimetry) pozwoliło na bezinwazyjny pomiar pól prędkości na siatce o rozdzielczości poniżej skali Kołmogorowa i utworzenie bazy danych pomiarowych, która posłużyła później do statystycznej analizy i wyznaczenia między innymi takich wielkości jak funkcje struktury, korelacje, współczynnik dyssypacji lepkiej, skala Kołmogorowa. Wykonanie eksperymentów w kontrolowanych warunkach umożliwiło znalezienie wpływu początkowych parametrów termodynamicznych na wielkości charakteryzujące turbulencję. Porównanie danych doświadczalnych z analizą modelu mieszania z udziałem parujących kropelek sugeruje wpływ parowania na strukturę turbulencji wskutek zmian sił wyporu. Badania wykonane w komorze dla nieparujących kropelek z syntetycznego oleju wskazują na znaczne różnice struktury przepływu z parowaniem lub bez. Fakt ten jest dodatkowym argumentem potwierdzającym hipotezę o znaczącym wpływie parowania kropelek chmurowych na strukturę przepływu w małych skalach, istotnych dla procesów koalescencji kropel, poszerzenia ich widma i tworzenia się opadu. Również rezultaty przeprowadzonych eksperymentów numerycznych oddziaływania parujących kropelek ze strukturą wirową potwierdzają tę hipotezę. Wykonane badania w komorze chmurowej pozwoliły na stworzenie unikalnej bazy danych empirycznych do walidacji modeli numerycznych procesu oddziaływań struktur turbulentnych z zawiesiną kroplowa w obecności przemian fazowych.

EN

Our understanding of complex hydrodynamical interactions in water droplets - air suspension is still insufficient to explain warm rain formation problem - formation of precipitation in clouds without ice crystals. It is unresolved problem of atmospheric physics and progress in this area would give great benefits for meteorology and climatology. Difficulties in theoretical modelling of such complex systems and lack of reliable experimental data causes that rough parametrization should be applied in atmospheric models. It is assumed that rain drops arise as a result of water droplets collisions. Statistical properties of turbulent motion inside a cloud are needed to resolve stochastic equations of droplets collisions what leads to their sizes evolution. Measurements of such statistics are not available, moreover there are no reports documenting measurements of small-scale turbulence in clouds. The aim of this work was to fill in the gap in experimental data by providing documentation of hydrodynamical and thermodynamic interactions in cloud suspension based on statistical analysis of droplets velocities in laboratory model of cloud. The experimental setup was constructed to investigate process of air mixing in the presence of evaporating water droplets in the laboratory. The main part of the setup was glass walled chamber 1.8m x 1 m x 1m. In this chamber the process of mixing was analysed using CCD camera and pulsed laser illumination technique. Application of Particle Image Velocimetry enabled us to measure velocity field with resolution down to Kolmogorov scale without disruption of investigated flow. Statistical analysis of collected data enabled evaluation of such characteristics of turbulence as the structure function, the turbulence dissipation rate and the Kolmogorov scale. Parameters describing conditions of each experiment were controlled what enabled to investigate influence of thermodynamic conditions on evaluated characteristics of turbulence. The experimental data and analysis of mixing model taking into account droplets evaporation indicate influence of buoyancy fluctuations on the turbulent flow properties. It is confirmed by control experiments with nonevaporative droplets.

Słowa kluczowe

PL

fizyka; fizyka atmosfery; deszcz ciepły

EN

physics

• Wydawca: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Czasopismo: Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Rocznik: 2008
• Tom: nr 4
• Strony: 1--131
• Opis fizyczny: Bibliogr. 46 poz.

Twórcy

autor

Korczyk P. M.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk

Bibliografia

• [1] Błoński S., Kowalewski T.A., Korczyk P.: Analysis of turbulence in microchannel emulsifier, International Journal of Thermal Sciences, 46, 1123-1141, 2007.
• [2] Malinowski S.P., Andrejczuk M., Grabowski W.W., Korczyk P., Kowalewski T.A., Smolarkiewicz P.K.: Laboratory and modeling studies of cloudclear air interfacial mixing: anisotropy of smallscale turbulence due to evaporative cooling, New J. Phys, 10, 075020, 2008.
• [3] Shaw R.A.: Particleturbulence interactions in atmospheric clouds, Annu. Rev. Fluid Mech., 35, 183-227, 2003.
• [4] Shaw R.A., Walter C.R., Lance R.C., and Johannes V.: Preferential concentration of cloud droplets by turbulence: Effects on the early evolution of cumulus cloud droplet spectra, J. Atmos. Sci., 55, 1965-1976, 1998.
• [5] Falkovich G. , Pumir A.: Intermittent distribution of heavy particles in a turbulent flow, Phys. Fluids, 16, L47-L50, 2004.
• [6] Jaczewski A., Malinowski S.P.: Spatial distribution of cloud droplets in a turbulent cloudchamber flow, Quart. J. Roy Meteor. Soc., 131, 2047-2062, 2005.
• [7] Lehmann K., Siebert H., Wendisch M., Shaw R.A.: Evidence for inertial droplet clustering in weakly turbulent clouds, Tellus B, 59, 57-65, 2007.
• [8] Pinsky M., Khain A., and Levin Z.: The role of the inertia of cloud drops in the evolution of the spectra during drop growth by diffusion, Q. J. Roy. Meteor., 125, 553-581, 1999.
• [9] Pinsky M., Khain A., Tsinober A.: Accelerations in isotropic and homogeneous turbulence and Taylor's hypothesis, Phys. Fluids, 12, 3195-3204, 2000.
• [10] Pinsky M., Khain A.P., Shapiro M.: Collision efficiency of drops in a wide range of reynolds numbers: Effects of pressure on spectrum evolution, J. Atmos. Sci., 58, 742-755, 2001.
• [11] Wang L.P., Ayala O., Kasprzak S.E., Grabowski W.W.: Theoretical formulation of collision rate and collision efficiency of hydrodynamically interacting cloud droplets in turbulent atmosphere , J. Atmos. Sci., 62, 2433-2450, 2006.
• [12] Wang L.P., Xue Y., Ayala O., Grabowski W.W.: Effects of stochastic coalescence and air turbulence on the size distribution of cloud droplets, Atmos. Res., 82, 416-432, 2006.
• [13] Franklin C.N., Vaillancourt P.A., Yau M.K.: Statistics and parameterizations of the effect of turbulence on the geometric collision kernel of cloud droplets, J. Atmos. Sci, 64, 938-954, 2007.
• [14] Falkovich G., Fouxon A., Stepanov M.G.: Acceleration of rain initiation by cloud turbulence, Nature, 419, 151-154, 2002.
• [15] Ghosh S., Davila J., Hunt J.C.R., Srdic A., Fernando H.J.S. and Jonas P.R.: How turbulence enhances coalescence of settling particles with applications to rain in clouds, Proc R. Soc. A, 461, 3059-3088, 2005.
• [16] Kostinski A.B., Shaw R.: Fluctuations and luck in droplet growth by coalescence, Bull. American Meteorol. Soc., 86, 235-244, 2005.
• [17] Korolev A.V., Isaac G.A.: Drop growth due to high supersaturation caused by isobaric mixing, J. Atmos. Sci., 57, 167-585, 2000.
• [18] Malinowski S.P., Zawadzki I., Banat P.: Laboratory observations of cloudclear air mixing at small scales, J. Atmos. Oceanic Technol., 15, 1060-1065, 1998.
• [19] Kolmogorow A.N.: Dissipation of energy under locally isotropic turbulence, CR Acad. Sci. USSR, 32, 16-18, 1941.
• [20] Andrejczuk M., Grabowski W., Malinowski S.P., and Smolarkiewicz P.K.: Numerical simulation of cloudclear air interfacial mixing, J. Atmos. Sci., 61, 1726–1739, 2004.
• [21] Jeffery C.A.: Investigating the smallscale structure of clouds using the dcorrelated closure: effect of particle inertia, condensation/evaporation and intermittency, Atmos. Res., 59-60, 199-215, 2001.
• [22] Frish U.: Turbulence The legacy of A. N. Kolmogorov, Cambridge University Press, 1995.
• [23] Reynolds O.: On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the determination of the criterion, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 186, 123-164, 1895.
• [24] Pruppacher H.R., Klett J.D.: Microphysics of clouds and precipitation, Kluwer, 1997.
• [25] Siebert H., Lehmann K. and Wendisch M.: Observations of Small Scale Turbulence and energy Dissipation Rates in Cloudy Boundary Layer, J. Atmos. Sci., 63, 1451-1446, 2006.
• [26] Vaillancourt P.A., Yau M.K.: Review of particleturbulence interactions and consequences for cloud physics, Bull. Am. Meteorol. Soc., 81, 285–98, 2000.
• [27] Xue Y., Wang L., Grabowski W. W.: Growth of cloud droplets by turbulent collisioncoalescence, J. Atmos. Sci., 65(2), 331-356, 2008.
• [28] Maxey R., Riley J.J.: Equation of motion for a small rigid sphere in a nonuniform flow, Phys. Fluids, 26, 883-889, 1983.
• [29] Emanuel K. A.: Atmospheric Convection, Oxford University Press, 1994.
• [30] Raffel M., Willert Ch. E., Kompenhans J.: Particle image velocimetry: a practical guide, Springer, 1998.
• [31] Scarano F.: Iterative image deformation methods in PIV, Meas. Sci. Technol., 13, R1-R19, 2002.
• [32] Westerweel J.: Efficient detection of spurious vectors in particle image velocimetry data, Exp.Fluids, 16, 236-247, 1994.
• [33] Prasad A.K., Adrian R.J.: Stereoscopic particle image velocimetry applied to liquid flows, Exp. Fluids, 15, 49-60, 1993.
• [34] Ostrowski M.: Meteorologia dla lotnictwa sportowego, Przegląd Lotniczy, 1999.
• [35] Banat P., Malinowski S.P.: Properties of the turbulent cloudclear air interface observed in the laboratory experiment, Phys. Chem. Earth (B), 24, 741-745, 1999.
• [36] Korczyk P., Malinowski S.P., Kowalewski T.A.: Mixing of cloud and clear air in centimeter scales observed in laboratory by means of particle image velocimetry, Atmos. Res., 82, 173-182, 2006.
• [37] Pastur L.R, Lusseyran F., Fraigneau Y., Podvin B.: Determining the spectral signature of spatial coherent structures, Physical Review E, 72, 065301(R), 2005.
• [38] Pastur L.R., Lusseyran F., Korczyk P., POD applyed to the falling cloud, niepublikowany raport z badań, 2007.
• [39] Elsner J.W.: Turbulencja przepływów, PWN, 1987.
• [40] Batchelor G.K.: Pressure fluctuations in isotropic turbulence, Proc. Cambridge Phil. Soc., 47, 533-559, 1951.
• [41] Ranz W.E., Marshall W.R.: Evaporation from drops, Chem. Eng. Prog., 48, 141146, 173-180, 1952.
• [42] Fluent 6 Users Guide, Fluent Inc. Lebanon, NH, 2002.
• [43] Department Mosix Cluster, http://fluid.ippt.gov.pl/mosix/
• [44] Quenote G., Pakleza J., Kowalewski T.A.: Particle Image Velocimetry with Optical Flow, Experiments in Fluids, 25, 177-189, 1998.
• [45] Berkooz G., Holmes P., Lumley J.L.: The proper orthogonal decomposition in the analysis of turbulent flows, An. Rev. of Fluid Mech., 25, 53975, 1993.
• [46] Lumley J.L.: The structure of inhomogeneous turbulent flows, Atmospheric Turbulence and Radio Wave Propagation ed A M Yaglom and V I Tatarsky (Moscow: Nauka), 166-78, 1967.