258 : ” Глава 6 перемешивания процесс вовлечения обуславливается плотностной конвекцией. Во втором случае реализуется диффузный механизм перемешивания. В случае сдвигового или ветрового механизма пе- ремешивания энергия турбулентности генерируется за счет сдвига скорости, Важнейшей характеристикой движения нижней границы верхнего перемешанного слоя служит скорость вовлечения (/,, оп- ределяемая как скорость продвижения поверхности раздела турбу- лентной и нетурбулентной областей в нетурбулентную область: и, = ана (6.5.1) где й — толщина верхнего квазиоднородного слоя. Из-за практической важности оценок {/, и сложности получе- ния этих оценок теоретическим путем широкое распространение получило лабораторное исследование механизма сдвигового пере- мешивания. 2 Рассмотрим, как в лабораторных условиях исследовался сдви- говый механизм перемешивания (Крейман К.Д., 1992). В основном лабораторные исследования сдвигового механизма перемешивания проводятся в лабораторных каналах кольцевого и линейного типа. В установках кольцевого типа движение жидкости создается вра- щением экрана или обдувом поверхности воды. В линейных кана- лах основные недостатки связаны с влиянием вертикальных сте- нок, огораничивающих длину канала, а в кольцевых каналах — эффектами кривизны. : Като и Филлипс для моделирования процесса турбулентного вовлечения в сдвиговом потоке создали кольцевой канал с внут- ренним и внешним диаметрами 1,52 и 1,06 м соответственно. Глу- бина канала равнялась 0,28 метра. В стенках и дне были сделаны специальные окна для подсветки и измерений. Вода в канале при- водилась в движение экраном, который покрывал всю водную по- верхность. Стратификация жидкости в канале была линейной или двухслойной. Диррдорф и Юн проводили подобные эксперименты в кольце- вом канале с внешним диаметром 2 м и шириной 0,3 м. Движение воды создавалось не сплошным экраном, а тремя кольцеобразными секциями, каждая из которых занимала около 30 % поверхности ‚ воды и могла вращаться независимо. Такая особенность обеспечи- вала равномерную турбулизацию верхнего перемешанного слоя. Карлин и Крейман моделировали перемешивание в кольцевом канале диаметром 2,2 метра. Водная поверхность обдувалась вет- ровым потоком со скоростью до 6 м/с. Ширина канала составляла СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ В ЛИМНОЛОГИИ 259 0,4 метра, высота стен 1 метр. Глубина воды йзменялась в зависи- мости от целей эксперимента. Стратификация создавалась путем последовательного заполнения канала водой разной солености или путем нагрева верхней части жидкости специальными спиралями. Под действием напряжения трения, приложенного к водной по- верхности в ней, развивается дрейфовое течение, время достиже- ния квазистационарного состояния составляло 25—30 минут. Зави- симость скорости дрейфового течения от глубины имеет логариф- мический характер: 7= (и/р) No #/Н С)), (6.5.2) где Х — постоянная Кармана, Н — толщина слоя, охваченного дрейфовым течением, С, — константа, зависящая от параметров потока, и„ — динамическая скорость в воде, которая определялась на основе предположения о равенстве касательного напряжения трения ветра и поверхностного касательного напряжения в воде. Это предположение используется при многих модельных расчетах. Ниже будет показана неприменимость этого предположения, по . крайней мере, на начальной стадии генерации ветровых волн. В кольцевом канале наряду с азимутальной составляющей скорости существует и радиальная, которая в 15—20 раз меньше азимуталь- `ной и вызывает вторичную циркуляцию. В качестве примера лабораторного канала прямолинейного типа опишем канал Лаборатории механики жидкости Дельфтского технологического университета (Нидерланды). Канал представляет собой лоток прямолинейного сечения длиной 32,5 м, шириной 0,8 м. Сверху лоток закрыт крышкой. Вода заливается на глубину 0,4 м, при этом зазор между водной поверхностью и крышкой ра- вен 0,3 м. Скорость ветра достигает 11 м/с. Ветровой поток на вхо- де в канал дополнительно турбулизируется. Для устранения ветро- вых волн, которые были не желательны в экспериментах по сдви- говому вовлечению, в воду добавлялись детергенты. Стратифика- ция в канале создавалась путем последовательного заполнения ка- нала водой различной плотности. Канал оборудован системой ре- циркуляции, — вода перемешанного слоя поступает в конце кана- ла в трубу, откуда с насосом подается опять в начало лотка. Для устранения недостатков линейных и кольцевых каналов, которые проявляются в опытах по турбулентному вовлечению, были предложены каналы с двумя прямолинейными участками, которые соединяются закруглениями. Такая установка была, в