Лабораторное исследование процессов переноса импульса и тепла в пограничном воздушном слое в присутствии пены на поверхности воды

В настоящей работе описываются результаты моделирования воздействия пены на коротковолновую часть поверхностных волн и обмен импульсом в пограничном слое атмосферы при сильных ветрах. Основой исследования является серия экспериментов, выполненных на ветро-волновом канале ИПФ РАН. Эксперименты проведены в широком диапазоне скоростей ветра (диапазон изменения эквивалентной скорости ветра на высоте 10 м в ходе эксперимента составил от 12 до 38 м/с) и параметров волнения. Для возможности непрерывного создания пены на поверхности воды был разработан специальный подводный пеногенератор, который не вносил бы существенного влияния на поверхностное волнение. Расход пены во всей серии экспериментов не изменялся.
Представлены результаты измерения параметров воздушного потока, пространственно-временных спектров поверхностных волн, степени покрытия воды пеной и распределение пенных пузырьков. Анализ данных показал, что коэффициент аэродинамического сопротивления коррелирует с долей покрытия поверхности воды пеной и средним квадратичным уклоном волн, при этом наблюдается некоторое пороговое значение скорости ветра (около 22 м/с), для которого отмечено изменение характера влияния пены, а именно, при превышении данного порога наличие пены перестает влиять на значения пиков спектра волнения, при этом разница между среднеквадратичными уклонами поверхности для покрытой пеной и чистой воды становится меньше с ростом скорости ветра.
По результатам серии экспериментов был сделан вывод, что несмотря на то, что пена приводит к значительному уменьшению среднего уклона поверхности (основного параметра характеризующего шероховатость), и особенно для малых скоростей ветра (менее порогового значения), скорость трения, параметр температурной шероховатости, коэффициент аэродинамического сопротивления и коэффициент теплообмена увеличиваются. При этом для больших скоростей ветра эти различия стираются (находятся в границах погрешности). Интенсификация процессов обмена в присутствии пены в данном эксперименте не смотря на уменьшение средний уклон волнения (его сглаживания), можно объяснить за счет ее мелкомасштабной структуры повышающей шероховатость, не связанную с ветровыми волнами, и увеличивающей эффективную площадь взаимодействия.
Работа по измерению характеристик волнения и разработка радиолокационных методов выполнена при поддержке грантов РФФИ (18-35-20068 и 19-05-00366). Работа Вдовина по измерению характеристик приводного пограничного слоя поддержана грантом РНФ 14-17-00667.