4.12. Распределение скорости квазиустановившихся ветровых течений по данным экспериментов

Распределение однонаправленных по глубине квазиустановившихся ветровых течений, по-видимому, впервые получено Р. Н. Ивановым [55] в кольцевом штормовом бассейне, а распределение разнонаправленных течений — Е. Г. Никифоровым и Г. Н. Трофимовым [132] по материалам лабораторных исследований в -метровом аэрогидравлическом лотке. Скорости течения, перечисленные автором, измеряли преимущественно поплавками, вертушками и по движению окрашенной жидкости, вводившейся в поток. В кольцевом штормовом бассейне по техническим причинам измерениями не охватывалась вся придонная толща потока надо дном).

В ГГИ для выяснения распределения скорости по вертикали использованы данные упоминавшихся в предыдущих главах экспериментов с одно- и разнонаправленными по глубине ветровыми течениями [174, 177].

По данным экспериментов с разнонаправленными по глубине ветровыми течениями получены преимущественно близкие по виду эпюры распределения осредненной скорости. Они характеризуются наиболее интенсивным уменьшением скорости дрейфового течения от поверхности до горизонта а в некоторых экспериментах даже до точки перехода скорости через нуль, плавным увеличением скорости компенсационного течения с горизонта до горизонта наличием максимума скорости компенсационного течения на горизонте и резким уменьшением скорости с горизонта до дна. Это хорошо видно на обобщенной эпюре (рис. 4.14), составленной по данным 15 экспериментов; которые по относительной глубине укладываются в диапазон Незначительно отличаются от обобщенной (рис. 4.14) только те эпюры, которые получены по экспериментам с Для них характерно некоторое смещение ко дну максимума скорости компенсационного течения.

Обобщенная эпюра скорости, полученная экспериментально, наиболее близка по виду к теоретической эпюре (кривая 2 на рис. 4.13), приведенной в работе [22] для условий средней устойчивости стратификации плотности. Кривая 3 на рис. 4.13, соответствующая в работе [22] условиям нейтральной стратификации плотности, наиболее близка к виду экспериментальных эпюр

скорости, полученных при То обстоятельство, что обобщенная экспериментальная эпюра скорости, полученная в условиях нейтральной стратификации плотности, лучше согласуется с теоретической эпюрой, соответствующей условию средней неустойчивости, обусловлено, по нашему мнению, различиями в распределении по глубине вертикального коэффициента турбулентной вязкости. В теоретических расчетах, как это видно на рис. 4.13, эти коэффициенты уменьшаются от максимума на горизонте до нуля на поверхности и на дне, а в экспериментах их распределение изменяется, как показано в гл. 3, с изменением причем абсолютные значения коэффициента турбулентной вязкости в поверхностном слое больше, чем в придонном слое.

Рис. 4.14. Обобщенная безразмерная эпюра скоростей разнонаправленного по глубине ветрового течения (данные лабораторных экспериментов).

Поверхностная скорость ветрового течения уменьшается по сравнению со средней скоростью на вертикали, по данным теоретических расчетов [22], с увеличением неустойчивости стратификации плотности, а по данным экспериментов, — с уменьшением Так, например, отношение по данным экспериментов, составляет при при По данным всех экспериментов с разнонаправленными по глубине ветровыми течениями, средняя на вертикали абсолютная скорость связана с поверхностной скоростью приближенным соотношением

В однонаправленном по глубине ветровом течении вертикальное распределение скорости заметно изменяется с изменением скорости воздушного потока и основных элементов ветровых волн. С увеличением скорости воздушного потока и размеров ветровых волн происходит уменьшение вертикальных градиентов скорости течения практически по всей толще потока, за исключением придонного слоя, где скорость обычно увеличивается. Это обстоятельство отчетливо видно на безразмерных эпюрах скорости

квазиустановившегося течения, построенных по данным экспериментов (рис. 4.15). Поскольку для построения этих эпюр использовано сравнительно небольшое число экспериментов, то они имеют в определенной мере иллюстративный характер. Однако при отсутствии данных измерений ими можно воспользоваться для приближенной оценки распределения скорости по вертикали в условиях отсутствия стратификации плотности в водоеме и диапазоне изменения примерно от 0,4 до 4,0.

По данным лабораторных исследований получена эмпирическая зависимость средней на вертикали скорости однонаправленного ветрового течения от поверхностной скорости и относительной глубины.

Рис. 4.15. Обобщенные безразмерные эпюры скоростей однонаправленного по глубине ветрового течения при различной относительной глубине

Эта зависимость представлена в виде [178]

В натурных условиях ветровые течения часто нарушаются сейшевыми, стоковыми или остаточными течениями. В связи с этим по данным измерений редко удается получить эпюры с плавным изменением скорости по вертикали и устойчивым во времени направлением течения на разных горизонтах. Только в случаях, когда течения на отдельных вертикалях измеряются продолжительное время и эти измерения сопровождаются регистрацией ветра, уровня воды и волнения, из многих эпюр удается выбрать такие, которые отвечают условиям квазиустановившихся ветровых течений. Измерения такого рода проводились экспедиционными группами ГГИ на Кайраккумском, Каховском и Кременчугском водохранилищах и на нескольких небольших озерах. Несколько эпюр, полученных по данным этих измерений, показано на рис. 4.16. Наибольшие вертикальные градиенты скорости на большинстве этих эпюр приурочены к поверхностному и придонному слоям, а наименьшие — к центральной части потока.

На вертикалях в зонах поднятий дна и у внешней границы береговых отмелей в условиях сильных штормов часто обнаруживается сравнительно плавное уменьшение скорости ветрового

(кликните для просмотра скана)

течения от поверхности воды до верхней границы придонного слоя. Эпюры скорости в случаях сочетания ветрового течения с волнами на мелкой воде близки по виду к речным эпюрам [73, 215] и отличаются от них наличием увеличенных вертикальных градиентов скорости в поверхностном слое и наибольших градиентов в придонном слое (рис. 4.16 6).

В условиях сочетания волн на глубокой воде с однонаправленным переносом, вод распределение скорости течения обычно характеризуется существенно увеличенными вертикальными градиентами скорости в поверхностном слое по сравнению с центральной частью потока и придонным слоем (рис. 4.16в).

В условиях действия разнонаправленных по глубине течений эпюры скорости имеют вид, близкий к виду обобщенной экспериментальной эпюры скорости, представленной на рис. 4.14. Однако нижняя граница дрейфового течения при этом может располагаться не только на горизонте от поверхности воды, как в аэрогидравлических лотках, но и на горизонтах (рис. 4.16 г, д), что определяется общими чертами макроциркуляции вод и местоположением вертикали в водоеме. Например, в случае действия макроциркуляции с преобладанием однонаправленного по глубине ветрового течения у одного берега на вертикалях у противоположного берега, где преобладает компенсационный перенос вод, нижняя граница дрейфового течения нередко располагается на горизонте около а при сильном ветре — даже на горизонте

Предпринимались попытки получения по данным измерений течений в мелководных водоемах обобщенных эпюр скорости. Одна из таких попыток, увенчавшаяся получением сравнительно убедительных результатов, была предпринята в ГГИ при обработке данных измерений течений в оз. Балхаш, выполнявшихся с судов привязными глубинными поплавками. Рассмотрению подвергнуто 1230 эпюр. Они разделены по характеру изменения скорости на пять основных групп. Наибольшее число измеренных эпюр характеризовалось очень плавным или относительно плавным уменьшением скорости течения в пределах от поверхности воды до придонного слоя и резким убыванием скорости в придонном слое. Эпюры таких видов составили 64 %, что можно рассматривать как результат существенного влияния на их формирование сейшевых течений, имеющих в оз. Балхаш значительную повторяемость [181, 189]. Эпюры с четко выраженным

разнонаправленным по глубине переносом вод составили всего а эпюры, которые нельзя отнести ни к одному из выбранных видов, 11 % (табл. 4.3).

Таблица 4.3 (см. скан) Распределение данных поплавочных измерений течений в оз. Балхаш по виду эпюр скорости

В глубоководных водоемах распределение скорости течения обычно весьма существенно сложнее, чем сравнительно простое распределение скорости в. аэрогидравлических лотках и мелководных водоемах. Так, в оз. Байкал при наличии выраженной стратификации плотности по глубине наименьшие скорости течения отмечаются, по днным В. И. Верболова [23, 24], в зоне термоклина, а наибольшие — на горизонтах несколько ниже термоклина и вблизи дна. Большой сложностью отличается и вертикальное распределение направления течения, что препятствует установлению обобщенных эпюр.