3.7. Характеристика воздушного потока в приводном слое атмосферы

Особенности ветровых возмущений, действующих на МПО, определяются тем, что воздушные процессы протекают в непосредственной близости от водной поверхности, которая представляет собой особый вид подстилающей поверхности. Между воздушным потоком

и взволнованной поверхностью моря возникает непрерывный взаимосвязанный и взаимообусловленный процесс обмена энергией. Скорость ветра определяет высоту волны, а с другой стороны, в воздушном потоке появляются дополнительные флюктуации от волнения,

В основной стадии развития волнения передача энергии от ветра к волнам осуществляется главным образом за счет энергии средней скорости движения воздушного потока, а не турбулентных флюктуаций. Поэтому интенсивность развитого волнения зависит только от средней скорости ветра над морем. Интенсивность движения нижнего слоя воздушного потока определяется не только средней скоростью, но и турбулентными движениями, а также добавочными случайными колебаниями, связанными с обратным влиянием морского волнения на воздушный поток. Это подтверждается наличием в спектре пульсаций скорости ветра максимумов, соответствующих максимумам спектра волнения.

Исследования скорости ветра вблизи морской поверхности показали, что определяющее движение воздушного потока происходит в горизонтальной плоскости, и существенных вертикальных колебаний направления средней скорости ветра в нижних 20-30 м не наблюдается. Поэтому можно рассматривать воздушный поток как двумерный, хотя турбулентные движения, перпендикулярные плоскости потока, имеют место.

Мгновенное значение скорости ветра над морем в общем случае представляет собой случайную функцию времени, которую можно считать стационарной для развитого ветрового процесса.

Таблица 3.2.

Она образуется суммой средней величины и переменной составляющей, которая. в свою очередь, состоит из турбулентной и волновой .

Среднюю скорость ветра можно считать постоянной при заданной балльности моря, как математическое ожидание стационарного случайного процесса. Ее значения приведены в табл. 3,2.

Средняя скорость ветра изменяется также в зависимости от высоты у точки наблюдения по закону [16]:

где - средняя скорость ветра на заданной высотеуа; - аэродинамическая шероховатость подстилающей поверхности. Согласно (3.24) чем выше точка наблюдения, тем больше скорость ветра. Так, если на высоте средняя скорость ветра составляет с, то на высоте она будет .

Волновая составляющая скорости ветра определяется морским волнением. Ее корреляционная функция и спектральная плотность совпадают с аналогичными характеристиками для функции волновой ординаты, отличаясь от них только величиной дисперсии, приближенное значение которой может быть вычислено по формуле [16]

где - расчетная длина морской волны.

Среднеквадратичные значения волновой составляющей скорости ветра, рассчитанные по (3.25), приведены в табл. 3.2. Там же даны среднеквадратичные значения турбулентной составляющей, которые определяю! по эмпирической формуле [14] :

Рис. 3.18. Изменение скорости ветра при шквале

Сопоставление уровня переменных составляющих и средней скорости воздушного потока позволяет сделать вывод о том, что вблизи водной поверхности определяющее влияние имеет постоянная скорость ветра, которую и следует учитывать при анализе корабельных систем управления.

Особым видом ветрового возмущения, который также необходимо учитывать при исследовании процессов управления движением МПО, являются шквалы. Считают [14], что при шквале скорость ветра изменяется от среднего значения до максимального по линейному закону (рис, 3.18, а) причем время нарастания зависит от максимальной скорости шквалистого ветра (рис. 3.18, б), которая может примерно вдвое превышать среднюю.