ЛЕКЦИЯ 8

ЛЕКЦИЯ 8

Наблюдения за течениями

1. Методы наблюдений

а) навигационный

б) поплавковый

в) вертушечный

г) геоелектромагнитный

д) термогидрометрический

е)акустический

ж) оптический

з) гидродинамический

и) меток

к) аэрофотосъемка

2. Измерители течений

а) двойные привязные поплавки

б) свободно дрейфующие поплавки

г) парашютный буксир

д) поплавки нейтральной плавучести

е) ЭМИТ

ж) ВММ

з) БПВ

Обычно у потока наблюдается турбулентный режим течения воды, который вызывает пульсации скоростей как по значению, так и по направлению. Поэтому различают мгновенную и среднюю скорость потока.

Мгновенной скоростью называется скорость в данной точке потока в данный миг. Мгновенная скорость меняется во времени по значению и по направлению.

Средней скоростью течения называется скорость в точке потока, которая осреднена за достаточно продолжительный период времени. Она определяется выражением:

Ū = ∫udt , где Т - период осреднения

T

При измерении скоростей течений очень важно, чтобы продолжительность отдельного измерения была не меньше периода осреднения. В противном случае средняя скорость будет определена неверно.

Исследование гидродинамических процессов в Мировом океане основывается на прямых и косвенных методах измерения скорости потока. Выбор того или другого метода измерения параметров течения и характеристик измерительной аппаратуры в первую очередь определяется целью исследования. В зависимости от этого используются измерения в фиксированной точке или разнесенные по пространству, выбирается количественный и качественный состав аппаратуры.

6.1 Методы наблюдений

В данное время существует множество средств измерений параметров течений, основанных: на разных физических принципах. Согласно этим принципам можно выделить несколько основных методов измерений характеристик течений на разных глубинах, в поверхностном и придонном слоях.

а) Навигационный метод длительное время было единственым методом наблюдений за течениями. Основные сведения о поверхностных течениях Мирового океана получены путем массовой обработки навигационных данных. Сущность навигационного метода заключается в том, что в одно и то же время определяются счислимое и обсервованое местоположение судна. Счислимое место судна находится путем прокладки на карте действительного курса судна и пройденного расстояния по лагу. Обсервованое место определяется по данным наблюдений за Солнцем или звездами с помощью астрономического секстана или с помощью радиолокатора. Направление сноса (течения) определяется направлением вектора, который соединяет счислимое место с обсервованным, а скорость - путем деления расстояния между ними на промежуток времени между обсервациями.

б) Поплавковый метод позволяет определить скорость и направление течений по перемещению предметов вместе с потоком. Для измерения характеристик течений используются разного рода поплавки, которые могут перемещаться как на поверхности потока, так и на нужной глубине. Скорость течения принимают равной скорости поплавка, которая определяется по времени прохождения поплавком определенного расстояния. Таким образом, в этом случае делается допущение, что скорость перемещения поплавка равняется скорости движения воды. Такое допущение значительно упрощает определение скорости, хотя, строго говоря, тело, которое плывет по течению, двигается быстрее окружающих его частиц воды. Это объясняется наличием неуравновешенной проекции веса тела на ось движения.

Исследование течений с помощью поплавков осуществляется двумя способами: непосредственным наблюдением за перемещением поплавка (визуальное, радиолокатором, гидрофоном) и массовое разбрасывание маркированных поплавков, которые подбираются со временем (бутылочная почта).

При первом способе используются поверхностные поплавки, поплавки нейтральной плавучести, поплавки с подводными парусами, случайно плавающие предметы и т.д. Эти средства обладают свойствами (или снабжаются специальными устройствами) активного или пассивного действия, которые позволяют следить за ними с помощью береговых, судовых, самолетных или спутниковых локационных и радиопеленгаторных систем.

в) Вертушечный метод является наиболее распространенным в данное время для исследования поля скорости в океане. Независимо от конкретного конструктивного исполнения отдельных типов измерителей течений их можно разделить на две группы. В простейшем случае для измерения горизонтального вектора скорости течения достаточно иметь в приборе два измерительных канала - измерения модуля вектора скорости г и угла а между плоскостью меридиана и направлением вектора скорости течения. Традиционно нулевым углом считается направление вектора скорости на север, 90° - на восток, 180° - на юг и 270° - на запад. Для измерения величины модуля вектора скорости чаще всего используются механические датчики скорости (импеллеры, крылатки, роторы Савониуса, винты Архимеда), угловая скорость вращения которых зависит от скорости потока обтекающей их воды и параметров самого устройства. Направление потока воды измеряется по магнитному компасу регистрацией угла между направлением на север и продольной осью прибора (если прибор ориентируется по потоку с помощью рулевых пластин) или продольной осью флюгарки у неориентированных приборов.

При втором способе измерения используются данные о двух взаимноперпендикулярных составляющих векторов скорости U₁ и U₂, которые измеряются в подвижной приборной системе координат, а также о размере угла ориентации приборной системы относительно географических осей. Составляющие вектора скорости измеряются компонентными датчиками скорости течения, в качестве которых используются импеллеры, акустические, электромагнитные, оптические и другие устройства. В качестве измерителя угла ориентации прибора используются магнитные компасы, начальная точка отсчета которых совпадает с одной из продольных осей измерителя течений.

Основными рабочими характеристиками вертушек являются:

• начальная скорость Uо - наименьшая скорость потока, при котором начинает неравномерно вращаться ее ротор;

• нижняя граница пригодности вертушек выше которой рекомендуется использования вертушек. При скоростях от U₀ до U_н показание вертушек неустойчивы, из-за чего погрешности в этих границах могут быть значительными (>10%);

• верхняя граница пригодности вертушек U_в , выше которой зависимость du/dt = соnst нелинейная;

• инерционность вертушек - способность ротора вертушки менять свою скорость обращения соответственно изменению скорости потока. Эта способность обуславливается моментом инерции ротора (І). Чем больше І, тем медленнее приспосабливается ротор к изменению скорости. При большом І незначительное, изменение скорости потока может быть вообще недостаточным, чтобы изменить скорость вращения ротора.

г) Геоелектромагнитный метод применяется для измерения скорости и направления течения на ходу судна и основан на явлении электромагнитной индукции. По закону Фарадея известно, что в отрезке проводника, который пересекает магнитные силовые линии, возникает электродвижущая сила (Е), пропорциональная скорости перемещения проводника (U), напряженности магнитного поля (Н) и длине проводника (L). Применительно к измерению скорости потока, таким проводником является морская вода, которая двигается в магнитном поле Земли, и одновременно - участок кабеля между двумя неполяризующимися электродами, которые буксируются по поверхности воды.

Тогда: Е=ULН_г10^-3

Откуда U = E/LН_z 10^-3

Напряженность магнитного поля Земли может быть снята со специальных карт магнитного поля для любой точки в Мировом океане или с навигационных карт.

Говоря о пригодности и точности геоелектромагнитного метода, следует особо подчеркнуть, что погрешности метода сильно возрастают вблизи берегов (<30 миль ) и на глубинах меньше 100-200 метров.

д) Термогидрометрический метод используется обычно для исследований пульсаций скорости потока. Между телом, введенным в поток, и водной средой устанавливается теплообмен, интенсивность которого зависит от скорости течения. В качестве рабочего элемента в термогидрометрах используют платиновую проволоку или полупроводниковые терморезисторы с прямым или косвенным подогревом. Если взять такой проволочный или полупроводниковый терморезистор, нагреть его, например пропусканием электрического тока, до определенной температуры, большей чем температура окружающего среды, то при обтекании потоком жидкости сопротивление датчика будет меняться в зависимости от скорости обтекания и окружающей температуры. Чем больше будет скорость обтекания, тем большее количество тепла будет отдавать терморезистор. Зависимость же от температуры будет обратная - чем выше температура среды, том меньше количество тепла отдается. В практических расчетах потерю тепла находят из уравнения теплового равновесия:

I²R=Sα(θ-t)

где I- ток через рабочий элемент с сопротивлением R;

S - площадь поверхности охлаждаемого тела;

а - коэффициент теплоотдачи, который является функцией скорости потока;

θ и t - температура рабочего элемента и воды соответственно.

Для проволочных датчиков

b и m - эмпирические коэффициенты, которые зависят от числа Рейнольдса и

геометрических размеров датчика;

с - коэффициент теплопроводности воды;

d - диаметр провода;

ν - коэффициент молекулярной вязкости;

U - скорость потока.

Исходя из этих формул, скорость потока определяют по измерению тока при постоянной температуре рабочего элемента или используя зависимость температуры рабочего элемента от скорости при постоянном напряжении питающего элемента.

Основным недостатком термогидрометров является значительная нелинейность градуировочной характеристики. Кроме того, при эксплуатации в морских условиях коррозия, обрастание, поляризация и т.д. снижают надежность термогидрометров и ограничивают время их использования иногда до нескольких часов.

е) Акустические методы. В данное время используются чаще всего методы, основанные или на сравнении частот акустических волн вдоль и против потока, или на сравнении времени прохождения акустических импульсов, направленных одновременно по водному потоку и против него. Метод сравнения частот основан на эффекте Допплера, сущность которого заключается в том, что если в движущейся среде распространяются колебания определенной частоты f₁ то неподвижный наблюдатель зафиксирует колебание частоты f₂, которая отличается от f₁ тем более, чем больше будет скорость движения среды. Сдвиг частоты (Δω) связанный со скоростью течения таким образом:

Δω =2δup ω₀ /с, где

с - скорость звука в воде;

U_р - радиальная составляющая скорости потока;

δ - коэффициент, который зависит от направления передающего и приемного устройства.

Однако допплеровские измерители имеют слабую энергетическую обеспеченность из-за значительного коэффициента рассеяния звука в морской воде. В связи с этим появляется необходимость принимать специальные меры для обеспечения помехоустойчивой работы прибора, которые приводят к значительному усложнению прибора.

От этих недостатков избавлены акустические системы, которые действуют по принципу измерения разности времени прохождения сигналов вдоль и против потока. Зависимость между разностью времени прохождения сигнала вдоль и против потока от скорости потока описывается выражением

ΔТ=2Ud/с²

где d - измерительная база прибора.

ж) Оптические методы измерения скорости течения подразделяются на допплеровский и фазовый. Допплеровские оптические измерители, в принципе могут иметь достаточно высокую разрешающую способность и чувствительность, но относительные погрешности и разные "паразитные" эффекты остаются такими же, как и в акустических измерителях. Кроме того возникают большие трудности регистрации и анализа исходного сигнала вследствие большой скорости света.

Фазовый оптический метод измерения скорости течений основан на принципе сдвига интерференционной картины. Разность хода в длинах волн Δλ определяется как

Δλ ≈ 2LUX_l n²/λc_L ,

где L - длина оптической базы; С_L, - скорость света; n - коэффициент преломления света; Х_L=1/n².

Особенностью оптических измерителей является большая чувствительность к изменениям коэффициента преломления света, а, следовательно, и плотности морской воды.

з) Гидродинамический метод основан на измерении давления, оказываемого потоком на находящееся в нем тело. Между скоростью течения и давлением существует зависимость:

R=С_m ρU²ST /2,

где R - давление потока на тело;

С_m - коэффициент, который зависит от формы тела и числа Рейнольдса;

Sт - площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению течения;

ρ - плотность воды. Таким образом, измерив давление потока на тело, можно определить и скорость течения.

і) Метод меток основан на измерении времени переноса искусственной метки (тепловой, оптической, радиоактивной и др.). Так, например, водородные пузыри, получаемые при электролизе жидкости на тонком проводе, внесенном в исследуемую жидкость, позволяют находить траекторию и скорость частиц в потоке.

к) Метод аэрофотосъемки дает возможность получать практически синхронную картину распределения течений на больших акваториях за короткий период времени. Наиболее полную картину течений и их изменений во времени и в пространстве можно получить при использовании аэрометодов в комплексе с береговыми или судовыми измерениями. При изучении течений с самолетов применяют два метода: метод маршрутного аэрофотосъемки маркированной поплавками поверхности моря и радиогеодезический метод.

Метод маршрутного аэрофотосъемки нуждается в привязки поплавков к некоторому объекту. Такими объектами могут быть береговые ориентиры, суда или буи на якоре, а также один из поплавков (узловой), координаты которого точно фиксируются в пространствк с помощью локатора. Сущность метода сводится к двукратной (или многократной) аэрофотосъемке положения поплавков на поверхности моря и определении их координат.

Аэрофотосъемка ведется специальными фотоаппаратами на изохроматическую пленку с зеленым светофильтром, потому что краситель поплавков дает в воде яркий изумрудный шлейф.

На большом удалении от берега используют радиогеодезический метод. В отличие от метода маршрутного аэрофотосъемки привязка поплавков на снимках ведется относительно самого самолета, координаты которого определяют в момент фотографирования с погрешностью не более 10 метров. Для этого на самолете и на суше или судне устанавливаются совместно работающие радиогеодезические станции. Следует помнить, что аэрофотосъемка ограничивается высотой облачности, условиями освещения, высотой Солнца (отблески), высотой волн.

Масштаб съемки выбирают с таким расчетами, чтобы изображение окрашенных пятен воды на снимках имели не меньше 3 мм для точной дешифровки поплавков. Необходимое количество поплавков рассчитывают по соотношению п=Ь/(1т), где п- количество поплавков, Ь - длина маршрута, т - знаменатель масштаба съемки, 1 - расстояние между изображениями поплавков на аэрофотоснимку. Обработку аэрофильмов делают в лаборатории. При их монтаже необходимо, чтобы на двух соседних кадрах было не меньше двух изображений одних и тех же поплавков. Потом делают монтаж маршрута, при котором изображение неподвижных объектов и поплавков наносят на кальку, по которой впоследствии получают скорость и направление течений.

Измерители течений

Двойные привязные поплавки используются при скорости ветра меньше 6 м/с, волнении не более 2-3 баллов и при скорости течения большей 0.1 см/с. Они представляют собой два цилиндрических сосуда диаметром 20-30 см и высотой 40-50 см, соединенные между собой тросом, длиной ~ 1 метр. К верхнему сосуду крепится линь длиной до 200 метров с подвязанными к нему через каждые 10 метров пенопластовыми поплавками. Рабочая часть линя маркируется через каждый метр. Нижний сосуд загружается балластом с таким расчетами, чтобы верхний сосуд погружался в воду до верхнего края. Скорость течения определяется по времени, которое нужно на вытравливание линя определенной длины, а направление - по углу между направлением на поплавок и диаметральной плоскостью судна, для чего используется компас.

Поверхностные течения можно измерять и с помощью свободно дрейфующих поплавков (дрифтеров). Основное условие пригодности - площадь вертикального сечения надводной части должная относится к площади вертикального сечения подводной части не более, чем 1:100. Координаты поплавка определяют с берега или судна не меньше, чем через каждые 10 мин и не больше, чем через 1 час. Координаты можно определять с помощью радиолокатора. Тогда вместо флажка на мачте следует укрепить пассивный угловой отражатель.

Парашютный буксир может применяться для глубин до 1000 метров. Он представляет собой авиационный парашют с площадью купола 40 м ² ( для глубины 500 м) или 70 м ² ( для глубины 1000 м). Парашют тросом, диаметром 3 мм , крепится к пенопластовому бую, грузоподъемностью до 120 кг, на мачте которого расположен угловой отражатель. К нижней части троса крепится груз. Для облегчения подъема буксира используется зажим-размыкатель на креплении верхней группы строп парашюта, который раскрывается с помощью посыльного груза. Направление и скорость подводного течения определяют по положению надводного буя с помощью радионавигационной аппаратуры.

Поплавки-интеграторы используются для определения средней скорости течения по вертикали. Поплавок опускают на дно в точке с известными координатами , а потом в определенный момент времени освобождают его от груза и он под действием подъемной силы начинает всплывать. При этом под действием течения поплавок движется по горизонтали (сносится течением). Зная координаты точки всплытия и глубину можно записать

W

U_ср = ----- l

H

Поплавки нейтральной плавучести применяются для измерения скорости и направления течений на больших глубинах. Этот метод основан на разности в сжимаемости морской воды и материала из которого изготовлен поплавок. Поплавки нейтральной плавучести (поплавки Своллоу) изготавливают из легкого алюминиевого сплава, сжимаемость которого меньше сжимаемости морской воды, и представляет собой трубу длиной 6 м состоящую из двух секций по 3 метра каждая. В нижней секции расположены батареи питания и гидроакустический передатчик. В верхней секции размещаются дополнительные грузы для создания необходимой плавучести. На поверхности моря средняя плотность поплавка несколько больше плотности морской воды, а на глубине погружения их плотности выравниваются, вследствие разной сжимаемости. Средняя плотность каждого собранного поплавка устанавливается заранее с помощью погружения его в солевой раствор с плотностью, которая отвечает плотности морской воды на заданной глубине. Путем изменения числа дополнительных грузов в верхней секции трубки, поплавок приводится в состояние нейтральной плавучести. Наблюдения за поплавком ведутся с судна, оборудованного гидрофонами в носовой и кормовой части судна на глубине 5-7 метров. Гидрофоны улавливают импульсы от передатчика поплавка с интервалом в несколько секунд. Местоположение поплавка наносят на планшет, где строят траекторию его перемещения в горизонтальной плоскости.

Электромагнитный измеритель течений (ЭМИТ) ГМ-15М

ГМ-15М представляет собой автоматический потенциометр (прибор, который измеряет разность потенциалов) с присоединенным к нему кабельным шлейфом, который буксируется за судном. Для контакта кабельного шлейфа с морской водой к концам рабочих отрезков кабеля присоединенные электроды. Комплект состоит из двух электродов, кабеля, лебедки, пункта управления и контроля, регистратора и источника питания. Питание осуществляется от бортовой сети переменного тока напряжением 220 в, частотой 50 гц. Одним из наиболее важных узлов аппаратуры являются электроды для контакта датчика с морской водой. Используются серебряные-хлорсеребряные неполяризующиеся электроды, (серебряная пластинка погружена у раствор хлористого серебра). Применение других металлов исключается, потому что пара электродов даже из химически чистых и однородных металлов имеет собственную разность потенциалов, которая приводит к погрешностям, которые превосходят полезный сигнал.

Кабельный шлейф состоит из двух неравных по длине отрезков жил, сплетенных между собой, одна из которых 300 м, а другая - 400 м. Таким образом, измерительная база прибора составляет 100 м. Для исключения влияния судна и его кильватерной струи, длина выпущенного кабеля должна составлять не меньше 2-3 длин судна. В качестве кабельного шлейфа обычно используют полевой телефонный провод с разрывным усилием 120 кг. При буксировании до 15 узлов натяжение не превышает 50-60 кг. Для выпуска и выбора кабельного шлейфа применяется ручная лебедка с ручным тормозом. Сигнал с кабеля поступает на пульт управления и контроля, а потом регистрируется с помощью автоматического потенциометра КСП-2 на диаграммную ленту.

В проводнике, который буксируется за судном э.д.с. индуцируется только за счет поперечного перемещения, и каждое измерение дает только компонент течения, перпендикулярный к направлению следования судна. Поэтому для определения полного вектора течения следует выполнить два измерения на перпендикулярных курсах судна. Расстояние, которое проходит на каждом галсе судно, должно быть не меньше 0.5 миль. Полученные результаты геометрически суммируются. Каждое изменение курса судна на 90° обеспечивает получение пары контролирующих друг друга векторов скорости течений, а прямой и обратный ход судна дает контроль положения нуля электродов.

Как уже говорилось, э.д.с. находится в линейной зависимости от напряженности вертикальной составляющей магнитного поля Земли. Поэтому точность измерений ЭМИТа уменьшается с приближением к магнитному экватору, а на самом экваторе он не применим, потому что здесь магнитные силовые линии идут параллельно поверхности земли, то есть Н_z=0. Кроме того, существует зависимость полученных результатов от относительной толщины слоя, охваченного течением по сравнению с глубиной моря, которая выражается так называемым редукционным коэффициентом К=1+h/D, где h - толщина слоя, охваченного течением (теоретическая), D - глубина моря. В мелководных районах с глубинами меньше 10 м, коэффициент К =10, на глубинах свыше 150 м - меньше 1.1, а для открытых районов он приближается к 1.

Недостатки метода:

1. Течение должно быть сосредоточено в верхнем слое

2. Измерения не проводят в пределах ±10° от экватора

3. Целесообразно проводить в глубоководных районах (на мелководье негативное влияние оказывают теллурические токи и большая изменчивость коэффициента К).

Технические характеристики прибора:

Длина кабеля - 400 м.

Расстояние между электродами - не меньше 100 м

Погрешность - в среднем 3-5% от измеряемого течения

Чувствительность - 4-6 м/(м/с).

Вертушка ВММ

Вертушка ВММ служит для разовых измерений скорости и направления течения. После каждого измерения прибор поднимается на борт для снятия отсчета и перезарядки.

Благодаря простоте устройства и легкости в эксплуатации вертушка получила широкое распространение. Ее можно использовать для измерения течения на любой глубине.

Устройство

Вертушка ВММ состоит из следующих блоков:

1. Литая латунная рама, к которой крепятся другие детали прибора;

2. Лопастный винт со счетчиком оборотов;

3. Устройство регистрации направления течения;

4. Механизм, переключающий режим работы (спусковой).

Литая рама надета на вертикальную ось, вокруг которой она может свободно вращаться на 2-х подшипниках. К верхнему концу оси прикреплен неподвижный стрежень, который имеет в верхней части прорезь для троса лебедки. В эту прорезь вставляется огон троса и закрепляется барашковым винтом. На нижнем конце оси есть ушко для подвеса груза, который уменьшает снос течением. К задней части рамы крепится с помощью винта и 2-х штифтов руль, который имеет съемные наклонные пластины. В комплекте прибора есть 2 набора пластин - узкие и широкие. Узкие пластины служат для работ при волнении, потому что при работе с широкими пластинами вертушка совершает вертикальные колебания и значительно завышает показания скорости течения.

Скорость течения определяется при помощи лопастного винта. Он состоит из горизонтальной оси, на переднем конце которой есть 4 спицы с лопатами, развернутыми относительно оси на 45°, а на заднем конце сделана червячная нарезка, которая соединена с зубцами шестерни счетчика оборотов. Для предохранения от механических повреждений винт помещен внутри механического кольца, укрепленного на двух консолях. Торцы консолей связывает откидная штанга. При транспортировке винт снимается. К верхней консоли прикреплен арретир, который не позволяет винту вращаться вхолостую. Вертушка снабжена двумя винтами - а) металлическим, вращение которого начинается при скорости течения 3.5 см/с; б) облегченным (из плексигласа), для работы на малых скоростях течений, с начальной скоростью течения 2 см/с.

Обороты лопастного винта регистрируются счетчиком оборотов. Счетчик, заключенный в прямоугольную коробку, состоит из трех шестеренок со стрелками-указателями: верхняя показывает единицы и десятки оборотов, средняя - сотни и нижняя - тысяча оборотов. Задняя крышка может открываться, что позволяет очищать шестеренки от наносов.

В счетчике есть трубка - магазин, которая содержит запас бронзовых или латунных шариков диаметром 3 мм в количестве до 23 штук. Нижний шарик упирается в ободок диска, насаженного на верхнюю шестерню. На окружности диска есть 3 выемки, расположенные на равном расстоянии друг от друга. Каждый раз, когда выемка находится под отверстием трубки магазина, в нее попадает один шарик, который потом переносится диском к отверстию нижней трубки, а из нее - в компасную коробку.