RU2579358C1

RU2579358C1 - Method of determining coherent turbulent atmosphere surface structures

Info

Publication number: RU2579358C1
Application number: RU2014153594/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Васильевич Анисимов; Евгений Анатольевич Мареев
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2016-04-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to physics of atmosphere and atmospheric electricity and can be used for detecting coherent turbulent atmosphere surface structures and determination of their spatial-time scale. Synchronous recording of signals is aero-electrical turbulent fluctuations in several points spaced apart in line at fixed distance, with given time resolution above Earth surface at fixed height. Horizontal air flow rate is measured with subsequent determination of its average value during the measurement. Constructing a structural function aero-electrical turbulent fluctuations and its curve approximation. Detecting coherent turbulent structure of surface of atmosphere by presence of constant level structure function. Time interval is measured signal registration aero-electrical turbulent fluctuations corresponding coherent turbulent structures of surface of atmosphere. Determining height of coherent turbulent atmosphere surface structures on horizontal coordinate of point of intersection of level of permanent values and curve approximation averaged structure function. Determining width of coherent turbulent structures of surface of the atmosphere as product of the average value of horizontal air flow rate at the time interval signal registration aero-electrical turbulent pulsations.

EFFECT: technical result is upgraded accuracy of determination of coherent turbulent structures atmospheric boundary layer.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области физики атмосферы и атмосферного электричества и может быть использовано для обнаружения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы и определения их пространственно-временных масштабов при аэрофизических, геофизических, электрохимических, метеорологических, биологических и других исследованиях, а также для диагностики конвективных потоков в атмосферном пограничном слое с целью мониторинга развития грозовой и молниевой активности.The invention relates to the field of physics of the atmosphere and atmospheric electricity and can be used to detect coherent turbulent structures of the surface atmosphere and determine their spatiotemporal scales in aerophysical, geophysical, electrochemical, meteorological, biological and other studies, as well as for the diagnosis of convective flows in the atmospheric boundary layer to monitor the development of thunder and lightning activity.

Известен способ дистанционной диагностики турбулентных течений, заключающийся в том, что в турбулентную среду вводят контрастные вещества и визуально с использованием высокоразрешающих камер следят за их переносом, далее по траекториям перемещения примесей восстанавливают параметры крупномасштабных структур турбулентных потоков (Ван Дайк. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир. 1986. 183 с.).A known method for remote diagnostics of turbulent flows is that contrast agents are introduced into the turbulent medium and visually using high-resolution cameras they are monitored for their transfer, then the parameters of large-scale structures of turbulent flows are restored from the trajectories of the movement of impurities (Van Dyke. Album of fluid and gas flows. M .: Mir. 1986. 183 p.).

Недостатком способа является низкая точность измерения, необходимость однородного распределения контрастных примесей на масштабах турбулентного потока.The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurement, the need for a uniform distribution of contrasting impurities on the scale of a turbulent flow.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является бесконтактный способ измерения скорости, основанный на цифровой трассерной визуализации турбулентного потока. Измерение мгновенного поля скорости потока в заданном сечении основано на измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. В поток жидкости или газа добавляются частицы малого размера (трассеры). Размер, плотность и объемная концентрация частиц подбираются таким образом, чтобы эффекты, связанные с двухфазностью потока и плавучестью частиц, были минимальны. При этом измерительной областью потока считается ограниченная плоскость, «освещаемая» световым лазерным ножом (патент на полезную модель №110494, 2009).The closest in technical essence to the present invention is a non-contact method of measuring speed, based on digital tracer visualization of turbulent flow. The measurement of the instantaneous field of the flow velocity in a given section is based on the measurement of the displacement of impurity particles located in the section plane for a fixed time interval. Small particles (tracers) are added to the fluid or gas stream. The size, density and volume concentration of particles are selected so that the effects associated with the two-phase flow and buoyancy of the particles are minimal. In this case, a limited plane “illuminated” by a light laser knife is considered to be the measuring region of the flow (utility model patent No. 110494, 2009).

Недостатком известного способа является низкая точность измерения параметров крупномасштабных натурных когерентных турбулентных структур, необходимость использования специальных высокочастотных импульсных лазеров и скоростных CCDPIV-камер.The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurement parameters of large-scale full-scale coherent turbulent structures, the need to use special high-frequency pulsed lasers and high-speed CCDPIV cameras.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и надежности определения когерентных турбулентных структур атмосферного пограничного слоя (АПС) за счет использования в качестве трассеров естественных, природных аэроионов, образующихся в АПС под воздействием галактических космических лучей и радиоактивных эманаций земной поверхности, и синхронной регистрации аэроэлектрических пульсаций атмосферного электрического поля.The technical result of the invention is to increase the accuracy and reliability of the determination of coherent turbulent structures of the atmospheric boundary layer (APS) due to the use as tracers of natural, natural aero ions generated in APS under the influence of galactic cosmic rays and radioactive emanations of the earth's surface, and synchronous registration of aero-electric pulsations of the atmospheric electric field.

Технический результат достигается в способе определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы, включающем синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте, измерение горизонтальной скорости воздушного потока с последующим определением ее среднего значения за время измерения, построение усредненной структурной функции аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривой ее аппроксимации, выявление когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений структурной функции, измерение временного интервала регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы, определение высоты когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции, определение ширины когерентных турбулентных структур приземной атмосферы как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций.The technical result is achieved in a method for determining coherent turbulent structures of the surface atmosphere, including the synchronous registration of signals of aeroelectric turbulent pulsations at several points spaced in a line at fixed distances, with a given temporal resolution above the earth's surface at a fixed height, measuring the horizontal air flow velocity with its subsequent determination the average value during the measurement, the construction of the averaged structural function of aeroelectric boolean pulsations and its approximation curve, identifying coherent turbulent structures of the surface atmosphere by the level of constant values of the structural function, measuring the time interval for recording signals of aeroelectric turbulent pulsations corresponding to coherent turbulent structures of the surface atmosphere, determining the height of the coherent turbulent structures of the surface atmosphere at the level of the intersection of the surface coordinates of the surface atmosphere constant values and approximation curve of averaged structures second function, determining the width of coherent turbulent structures surface atmosphere by multiplying the average value of the horizontal velocity of the air flow by a time interval signal detection aeroelectric turbulent pulsations.

Синхронная регистрация сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте дает возможность оперативно вычислять структурную функцию турбулентного процесса, что позволяет проводить непрерывный мониторинг турбулентной активности АПС. Заданное временное разрешение необходимо для повышения точности вычисления структурной функции и нахождения средней величины, т.к. позволяет получить нужное количество единичных синхронных измерений в единицу времени. Синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций необходимо выполнять на фиксированной высоте вблизи плоской земной поверхности, т.к. величина сигнала аэроэлектрических пульсаций зависит от высоты над проводящей подстилающей поверхностью.Synchronous registration of aeroelectric turbulent pulsation signals at several points spaced out in a line at fixed distances with a given time resolution above the earth's surface at a fixed height makes it possible to quickly calculate the structural function of the turbulent process, which allows continuous monitoring of the turbulent activity of APS. The specified time resolution is necessary to increase the accuracy of calculating the structural function and finding the average value, because allows you to get the right amount of unit synchronous measurements per unit time. Synchronous registration of aeroelectric turbulent pulsation signals must be performed at a fixed height near a flat earth surface, because the magnitude of the signal of aeroelectric pulsations depends on the height above the conductive underlying surface.

Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема установки для определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы, на фиг. 2 - структурная функция D(r) пространственных флуктуаций параметров турбулентной атмосферы, l₀ - внутренний масштаб турбулентности, L₀ - внешний масштаб турбулентности, на фиг. 3 - экспериментальная структурная функция D_E(r) и вертикальный размер L₀=42 м когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы.The method for determining coherent turbulent structures of the surface atmosphere is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a diagram of an apparatus for determining coherent turbulent structures of the surface atmosphere, FIG. 2 - structural function D (r) of spatial fluctuations of the parameters of the turbulent atmosphere, l ₀ - internal scale of turbulence, L ₀ - external scale of turbulence, in FIG. 3 - experimental structural function D _E (r) and vertical size L ₀ = 42 m of the coherent turbulent structure of the surface atmosphere.

Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы осуществляется следующим образом.The method for determining coherent turbulent structures of the surface atmosphere is as follows.

Над земной поверхностью на фиксированной высоте синхронно в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением регистрируют аэроэлектрические турбулентные пульсации напряженности атмосферного электрического поля. Измеряют горизонтальную скорость воздушного потока с последующим определением ее среднего значения u за время измерения. Вычисляют структурные функции аэроэлектрических пульсаций согласно алгоритму:Above the earth's surface at a fixed height, synchronously at several points spaced out in a line at fixed distances, aeroelectric turbulent pulsations of the atmospheric electric field are recorded with a given time resolution. The horizontal air flow rate is measured with the subsequent determination of its average value u during the measurement time. The structural functions of aeroelectric pulsations are calculated according to the algorithm:

где: D_E(r) - структурная функция аэроэлектрических пульсаций,where: D _E (r) is the structural function of aeroelectric pulsations,

r - расстояние между датчиками вдоль линии точек измерения напряженности атмосферного электрического поля,r is the distance between the sensors along the line of points of measurement of the intensity of the atmospheric electric field,

E_z - амплитуда сигнала аэроэлектрических пульсаций.E _z is the amplitude of the signal of aeroelectric pulsations.

Проводят по полученному ансамблю структурных функций построение усредненной структурной функции аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривой ее аппроксимации. Выявляют когерентные турбулентные структуры приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений усредненной структурной функции. Затем проводят измерение временного интервала регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы. Определяют высоту L_h обнаруженной когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции, а также ширину L_I обнаруженной когерентной структуры, согласно измеренной средней горизонтальной скорости потока u и времени τ наличия сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы, как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций L_I = u*τ.Using the obtained ensemble of structural functions, the averaged structural function of the aeroelectric turbulent pulsations and its approximation curve are constructed. Coherent turbulent structures of the surface atmosphere are detected by the level of constant values of the averaged structural function. Then measure the time interval for recording signals of aeroelectric turbulent pulsations corresponding to coherent turbulent structures of the surface atmosphere. The height L _{h of the} detected coherent turbulent structure of the surface atmosphere is determined from the horizontal coordinate of the point of intersection of the constant value level and the approximation curve of the averaged structural function, as well as the width L _{I of the} detected coherent structure, according to the measured average horizontal flow velocity u and time τ of the presence of signals of aeroelectric turbulent pulsations, corresponding to coherent turbulent structures of the surface atmosphere, as a product of the average horizontal velocity awns airflow at a time interval signal detection aeroelectric turbulent pulsations L _I = u * τ.

Конкретный пример реализации способа определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы.A specific example of the implementation of the method for determining coherent turbulent structures of the surface atmosphere.

Над земной поверхностью на высоте h=1 м устанавливается линейка из пяти датчиков аэроэлектрического поля - прецизионных электростатических флюксметров, предназначенных для регистрации аэроэлектрических турбулентных пульсаций напряженности атмосферного электрического поля в частотном диапазоне (0-5) Гц. Расстояние L между датчиками равно 20 м. Измеряется горизонтальная скорость воздушного потока u в месте установки датчиков с последующим определением ее среднего значения за время измерения. Цифровая регистрация сигналов осуществляется синхронно с каждого из датчиков с заданным (10 отсчетов в секунду) временным разрешением. Из полученных в результате регистрации амплитудно-временных рядов напряженности аэроэлектрического поля оперативно вычисляется усредненная структурная функция аэроэлектрических турбулентных пульсаций $D_{E} (r) = < {| Δ E_{z} (r_{0} + r) - Δ E_{z} (r_{0}) |}^{2} >$

и ее аппроксимация. Выявляются когерентные турбулентные структуры приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений усредненной структурной функции. Проводятся измерения временного интервала τ регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы. Определяется высота L_h обнаруженной когерентной турбулентной структуры приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции. Вычисляется ширина когерентной турбулентной структуры как произведение среднего по времени значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций. При измеренных скорости воздушного потока u=2 м/с и временном интервале структурированных аэроэлектрических турбулентных пульсаций τ=300 с ширина когерентной турбулентной структуры составляет L_I=600 м при высоте L_h=42 м.Above the earth's surface, at a height of h = 1 m, a line of five sensors of the aero-electric field is installed - precision electrostatic fluxmeters designed to record aero-electric turbulent pulsations of the atmospheric electric field in the frequency range (0-5) Hz. The distance L between the sensors is 20 m. The horizontal air flow velocity u is measured at the place of installation of the sensors with the subsequent determination of its average value during the measurement. Digital registration of signals is carried out synchronously from each of the sensors with a given (10 samples per second) time resolution. From the amplitude-time series of the aeroelectric field intensity obtained as a result of recording, the averaged structural function of aeroelectric turbulent pulsations is quickly calculated

D_{E} (r) = < {| Δ E_{z} (r_{0} + r) - Δ E_{z} (r_{0}) |}^{2} >

and its approximation. Coherent turbulent structures of the surface atmosphere are revealed by the presence of a level of constant values of the averaged structural function. Measurements are made of the time interval τ of the registration of aeroelectric turbulent pulsation signals corresponding to coherent turbulent structures of the surface atmosphere. The height L _{h of the} detected coherent turbulent structure of the surface atmosphere is determined from the horizontal coordinate of the point of intersection of the level of constant values and the approximation curve of the averaged structural function. The width of the coherent turbulent structure is calculated as the product of the time-average value of the horizontal velocity of the air flow by the time interval for recording signals of aeroelectric turbulent pulsations. With the measured air flow velocity u = 2 m / s and the time interval of structured aeroelectric turbulent pulsations τ = 300 s, the width of the coherent turbulent structure is L _I = 600 m at a height L _h = 42 m.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность и надежность определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы.The present invention improves the accuracy and reliability of the determination of coherent turbulent structures of the surface atmosphere.

Claims

A method for determining coherent turbulent structures of the surface atmosphere, including the synchronous registration of signals of aeroelectric turbulent pulsations at several points spaced in a line at fixed distances, with a given temporal resolution above the earth's surface at a fixed height, measuring the horizontal air flow velocity with subsequent determination of its average value over time measurements, construction of the averaged structural function of aeroelectric turbulent pulsations and its curve simulations, identification of coherent turbulent structures of the surface atmosphere by the presence of a level of constant values of the structural function, measurement of the time interval for recording signals of aeroelectric turbulent pulsations corresponding to coherent turbulent structures of the surface atmosphere, determination of the height of coherent turbulent structures of the surface atmosphere from the horizontal coordinate of the point of intersection of the constant level curve and the curve averaged structural function, determining the coher width turbulent structures of the near-surface atmosphere as a product of the average value of the horizontal velocity of the air flow by the time interval for recording signals of aeroelectric turbulent pulsations.