Исследование характеристик турбулентного пограничного слоя PIV-методом в условиях лабораторного моделирования течения над морским дном

Настоящая работа посвящена разработке и применению системы измерения полей скорости течения методом Particle Image Velocimetry (PIV) (Анемометрии по Изображениям Частиц) в исследованиях турбулентного пограничного слоя в модернизированном гидродинамическом лотке Атлантического отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук. Работы проводились в рамках подготовки лабораторной установки к экспериментам по взмучиванию частиц микропластика со дна, покрытого естественным донным осадком. Эксперименты выполнялись при трех типах покрытия дна: крупный песок (1–1.5 мм), зёрна янтаря (3–4 мм), галька (1–2 см). Разработанная система PIV-измерений базируется на использовании цифровой камеры средней производительности и непрерывной лазерной подсветки. Эксперименты выполнялись в широком диапазоне скоростей потока (до 2 м/с), задаваемых частотой вращения насоса и положением регулирующей заслонки. Выполнены измерения профилей средней скорости, по наклону логарифмической части которых вычислялась динамическая скорость, которая, вместе с масштабом шероховатости дна, является одной из основных характеристик при исследовании процессов седиментации/ взмучивания. Динамические скорости для песка и янтаря оказались близкими друг к другу, и значительно меньше, чем для гальки. Масштаб шероховатости для гальки, как и ожидалось, оказался максимальным. Янтарь в экспериментах не только моделировал дно промежуточной шероховатости, но также, из-за своей относительно малой плотности (1.07 г/см3), позволил наблюдать начало движения частиц при небольших скоростях потока — меньших, чем необходимо для начала движения песка. Сравнение результатов наблюдений с известными данными А. Шильдса о пороге взмучивания янтаря показывают их хорошее согласие. Одним из основных преимуществ PIV-измерений в последующих экспериментах по исследованию динамики МП, можно считать возможность практически мгновенного измерения характеристик течения в пограничном слое с одновременным отслеживанием динамики добавленных на поверхность дна частиц МП.

1. Prandtl L. Bemerkungen über den Wärmeübergang im Rohr // Physik. Zeitschr. 1928. V. 29, 487.

2. Klewicki J., Falco R. On accurately measuring statistics associated with small-scale structure in turbulent boundary layers using hot-wire probes // J. Fluid Mech. 1990. V. 219. P. 119–142. doi: 10.1017/S0022112090002889

3. Balachandar R., Bhuiyan F. Higher-order moments of velocity fluctuations in an open-channel flow with large bottom roughness // J. Hydraul. Eng. 2007. V. 133(1). P. 77–87. doi: 10.1061/(ASCE)0733–9429(2007)133:1(77)

4. Faruque M.A.A., Balachandar R. Roughness effects on turbulence characteristics in an open channel flow // Can. J. Civ. Eng. 2010. V. 37. P. 1600–1612. doi: 10.1139/L10–098

5. Guala M. et al. Vortex organization in a turbulent boundary layer overlying sparse roughness elements // J. Hydraul. Res. 2012. V. 50(5). P. 465–481. doi: 10.1080/00221686.2012.729229

6. Qi M. et al. Roughness effects on near-wall turbulence modelling for open-channel flows // J. Hydraul. Res. 2018. V. 56(5). P. 648–661. doi: 10.1080/00221686.2017.1399931

7. Spiller S.M. et al. Form-induced stress in non-uniform steady and unsteady open channel flow over a static rough bed // Int. J. of Sediment Res. 2015. V. 30(4). P. 297–305. doi: 10.1016/j.ijsrc.2014.10.002

8. Shields A. Application of similarity principles and turbulence research to bed-load movement // Hydrodynamics Laboratory. Publ. No. 167, U.S. Dept. of Agr., Soil Conservation Service Cooperative Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California.

9. Hjulstrøm F. Transportation of debris by moving water // Recent Marine Sediments: A Symposium / Ed. Trask, P.D. Tulsa, Oklahoma: American Association of Petroleum Geologists, 1939. P. 5–31.

10. van Rijn L.C. Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas. Amsterdam: Aqua Publications, 1993. 690 p.

11. Shvidchenko A.B., Pender G. Flume study of the effect of relative depth on the incipient motion of coarse uniform sediments // Water Resour. Res. 2000. V. 36, N2. P. 619–628.

12. McCarron C.J., Van Landeghem K.J., Baas J.H., Amoudry L.O., Malarkey J. The hiding-exposure effect revisited: а method to calculate the mobility of bimodal sediment mixtures // Marine Geology. 2019. V. 410. P. 22–31.

13. Yang Y., Gao S., Wang Y.P., Jia J., Xiong J., Zhou L. Revisiting the problem of sediment motion threshold // Cont. Shelf Res. 2019. 103960.

14. Chubarenko I. et al. Behavior of Microplastics in Coastal Zones // Microplastic Contamination in Aquatic Environments / Ed. by Eddy Y. Zeng. Elsevier, 2018. P. 175–223. doi: 10.1016/B978–0–12–813747–5.00006–0

15. Geyer R., Jambeck J.R., Law K.L. Production, use, and fate of all plastics ever made // Sci. Adv. 2017. V. 3(7). e1700782.

16. Ballent A. et al. Modelled transport of benthic marine microplastic pollution in the Nazaré Canyon // Biogeosciences. 2013. V. 10(12). 7957.

17. Waldschläger K., Schüttrumpf H. Erosion Behavior of Different Microplastic Particles in Comparison to Natural Sediments // Env. Sci. Technol. 2019. V. 53(22). P. 13219–13227.

18. Wilcock P.R. Methods for estimating the critical shear stress of individual fractions in mixed-size sediment // Water Resour. Res. 1988. V. 24. P. 1127–1135.

19. Sherman D. et al. Sediments and Sediment Transport // Treatise on Geomorphology / Ed. by John F. Shroder. Academic Press, 2013. P. 233–256. doi: 10.1016/B978–0–12–374739–6.00013–0

20. Hinze J.O. Turbulence: an introduction to its mechanism and theory. New York: McGraw-Hill, 1959. 586 p.

21. Wentworth C.K. A scale of grade and class terms for clastic sediments // J. Geology. 1922. 30(5). P. 377–392.

22. Сергеев Д.А. Измерительный комплекс для исследования течений жидкости методом пробных частиц на основе твердотельного лазера с диодной накачкой // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 3. C. 138–144.

23. Bolinder J. On the accuracy of digital particle image velocimetry system // Lund Inst. of Tech., Tech. Div. of Fluid Mech., Tech. Rep. 1999. 24 p.

24. Raffel M., Willert C.E., Wereley A.T., Kompenhans J. Particle image velocimetry: a practical guide. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1998. 253 p.

25. Adrian R.J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics // Annu. Rev. Fluid Mech. 1991. 23, 261–304. doi: 10.1146/annurev.fluid.23.1.261