Влияние ветровых волн на формирование скорости ветра в приводном слое атмосферы в условиях динамически гладкой поверхности
https://doi.org/10.59887/2073-6673.2023.16(4)-2
Аннотация
Одним из факторов проявления влияния ветровых волн на вертикальное распределение параметров в турбулентном приводном слое атмосферы является создаваемый волнами дополнительный поток импульса. В известных исследованиях, связанных с моделированием и анализом проявлений волнового потока импульса, волновая поверхность считается динамически шероховатой, так что эффектами молекулярной вязкости пренебрегается. В настоящей работе выполнена оценка проявления волновых потоков импульса при скоростях ветра, при которых волновая поверхность океана может считаться как динамически гладкая. Используются некоторые известные теоретические положения и экспериментальные результаты работ, связанных с изучением структуры потока над динамически гладкой поверхностью. Анализируется и устанавливается связь между безразмерной толщиной вязкого слоя и безразмерной шероховатостью гладкой поверхности. Формируются уравнения движения с учётом проявления трёх факторов: молекулярных, турбулентных и волновых потоков импульса. Описываются модели, основанные на данных уравнениях. Обсуждается выбор постоянных коэффициентов, которые задаются в расчетах с данной моделью. Приводятся отдельные результаты расчётов и анализ вертикальных профилей скорости ветра и зависимости коэффициента трения от скорости ветра при различных условиях ветрового волнения.
Ключевые слова
волновой приводный слой,
вязкость,
поток импульса,
профиль скорости ветра,
коэффициент сопротивления
При поддержке: Результаты исследований выполнены в рамках государственного задания (тема № FMWE-2021–0014).
Об авторах
К. Л. Егоров
Российский государственный гидрометеорологический университет
Россия
Россия
ЕГОРОВ Кирилл Леонидович, кандидат физико-математических наук
РИНЦ AuthorID: 1006011
195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, д. 98
К. Ю. Булгаков
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Россия
Россия
БУЛГАКОВ Кирилл Юрьевич, кандидат физико-математических наук
РИНЦ AuthorID: 168662
Scopus AuthorID: 55270509900, WoS ResearcherID: R-7744–2016
117997, Mocквa, Нахимовский пр-т, д. 36
Список литературы
1. Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана / Пер. с англ. М.: МИР, 1969. 267 с.
2. Miles J.W. A note on the interaction between surface waves and wind profiles // Journal of Fluid Mechanics. 1965. Vol. 22, N 4. P. 823–827. doi:10.1017/S0022112065001167
3. Китайгородский С.А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 280 с.
4. Егоров К.Л. Оценка влияния волнения на динамическую структуру приводного слоя атмосферы // Известия АН СССР. Серия Физика атмосферы и океана. 1984. № 12. C.1183–1185.
5. Yegorov K.L. Asymptotic behaviour of a turbulent mixing path near a wave layer // Soviet Journal of Physical Oceanography. 1990. Vol. 1, N 6. P. 513–517. doi:10.1007/BF02197009
6. Chalikov D.V. Numerical simulation of wind-wave interaction // Journal of Fluid Mechanics 1978. Vol. 87. P. 561–582. doi:10.1017/S0022112078001767
7. Chalikov D.V. Numerical simulation of the boundary layer above waves // Boundary-Layer Meteorology. 1986. Vol. 34. P. 63–98. doi:10.1007/BF00120909
8. Chalikov D. The parameterization of the wave boundary layer // Journal of Physical Oceanography. 1995. Vol. 25. P. 1333–1349. doi:10.1175/1520-0485(1995)025<1333: TPOTWB>2.0.CO;2
9. Ефимов В.В. О структуре поля скорости ветра в приводном слое атмосферы и передача энергии ветра морским волнам // Известия АН СССР. Серия Физика атмосферы и океана. 1970. № 10. С. 1043–1058.
10. Kline P., Coantic. M. A numerical study of turbulent processes in the marine upper layer // Journal of Physical Oceanography. 1981. N 11. P. 849–863. doi:10.1175/1520-0485(1981)011<0849: ANSOTP>2.0.CO;2
11. Ефимов.В.В. Динамика волновых процессов в пограничных слоях атмосферы и океана. Киев: Наукова думка, 1981. 256 c.
12. Galperin B. et. al. Modeling rotating stratified turbulent flows with application to oceanic mixed layers // Journal of Physical Oceanography. 1989. Vol. 19. P. 901–916. doi:10.1175/1520-0485(1989)019<0901: MRSTFW>2.0.CO;2
13. Boum E., Caponi E. Modeling the effects of buoyancy on the evolution of geophysical boundary layers // Journal of Geophysical Research. 1992. Vol. 97. I. C10. P. 15513-15527. doi:10.1029/92JC01715
14. Makin V.K., Kudryavtsev V.N. Coupled sea surface-atmosphere model. Part 1. Wind over waves coupling // Journal of Geophysical Research. 1999. Vol. 104, I. C4, P. 7613–7623. doi:10.1029/1999JC900006
15. Kudryavtsev V.N., Makin, V.K., Chapron B. Coupled sea surface-atmosphere model. Part 2. Spectrum of short wind waves // Journal of Geophysical Research. 1999. Vol 104, I. C4, P. 7625–7639. doi:10.1029/1999JC900005
16. Kudryavtsev V., Chapron B., Makin V. Impact of wind waves on the air-sea fluxes: A coupled model // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2014. Vol. 119. P. 1217–1236, doi:10.1002/2013JC009412
17. Чаликов Д.В., Булгаков К.Ю. Структура приводного слоя атмосферы // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 2. C. 50–65 doi:10.7868/S2073667319020072
18. Charnock H. Wind stress on a water surface // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1955. Vol. 81. P. 639–640. doi:10.1002/qj.49708135027
19. Nikuradse J. 1933 Str¨omungsgesetze in rauhen Rohren // Tech. Rep. 361. Forsch. Arb. Ing.Wes., English transl. Laws of flow in rough pipes, NACA TM 1292
20. Булгаков К.Ю., Фокина. К.В. Моделирование приводного слоя с параметризацией стратификации и элементов влияния ветрового волнения // Фундаментальная и прикладная гидрофизика 2021. Т. 14, № 2. C. 3–16. doi:10.7868/S2073667321020015
21. Reichardt Н. Vorträge aus dem Gebiet der Aeround Hydrodynamik. Über das Messen turbulenter Längsund Querschwankungen // Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. 1938. Vol. 18. P. 358–361. doi:10.1002/zamm.19380180605
22. Reichardt H. Vollständige Darstellung der turbulenten Geschwindigkeitsverteilung in glatten Leitungen // Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. 1951. Vol. 31. N 7. P. 208–219. doi:10.1002/zamm.19510310704
23. Laufer J. The structure of turbulence in fully developed pipe flow // Natl. Advisory Comm. Aeronaut. Tech. Repts. 2954. 1954.
24. Rotta J. Das in Wandnähe gültige Geschwindigkeitsgesetz turbulenter Strömungen // Ingenieur-Archiv. 1950. Vol. 18. P. 277–280. doi:10.1007/BF00536743
25. Мiles J.W. On the velocity profile for turbulent flow near a smooth wall // Journal of the Aeronautical Sciences. 1957. Vol. 24, N 9. P. 704.
26. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Часть 1. М.: Наука, 1965. 639 c.
27. Хинце И.О. Турбулентность. М.: Физматгиз, 1963. 680 c.
28. Prandtl L. Bericht uber Untersuchungen zur ausgebildeten Turbulenz // Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. 1925. Vol. 5, N 2. P. 136–139. doi:10.1007/978-3-662-11836-8_57
29. Chalikov D., Rainchik S. Coupled numerical modelling of wind and waves and the theory of the wave boundary layer // Boundary-Layer Meteorology. 2010. Vol. 138, I. 1. P. 1–41. doi:10.1007/s10546-010-9543-7
30. Hasselmann K., Barnett R.P., Bouws E. et al. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint Sea Wave Project (JONSWAP). Deutsches Hydrogr. Inst. 1973. 95 p.
31. Pierson W.J., Moscowitz L. A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S.A. Kitaigorodskii // Journal of Geophysical Research. 1964. Vol. 69, Iss. 24. P. 5181–5190. doi:10.1029/JZ069i024p05181
32. Donelan M.A. Air-sea interaction // The Sea. 1990. Vol. 9. P. 239–292.
33. Donelan M. The dependence of the aerodynamic drag coefficient on wave parameter // Proc. First Int. Conf. on Meteorol. and Air-Sea Interaction of the Coastal Zone? The Hague, Amer. Meteor. Soc., 1982. P. 381–387.
34. Babanin A.V., Makin V.K. Effects of wind trend and gustiness on the sea drag: Lake George study // Journal of Geophysical Research. 2008. Vol. 113. C02015. doi:10.1029/2007JC004233
Рецензия
Для цитирования:
Егоров К.Л., Булгаков К.Ю. Влияние ветровых волн на формирование скорости ветра в приводном слое атмосферы в условиях динамически гладкой поверхности. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2023;16(4):18-31. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2023.16(4)-2
For citation:
Yegorov K.L., Bulgakov K.Yu. Wind waves impact on the velocity in wave boundary layer in the condition of dynamically smooth surface. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2023;16(4):18-31. (In Russ.) https://doi.org/10.59887/2073-6673.2023.16(4)-2
Просмотров:
274
Послать статью по эл. почте 