Экспериментальное изучение переноса тепла и водяного пара в снеге тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Сократов, Сергей А.

• Сократов, Сергей А.
• 1997

Оглавление диссертации Сократов, Сергей А.

Аннотация.

Содержание.Ш

1. Введение.

1.1 Предпосылки изучения процессов тепло- и массопереноса в снеге.

1.2 Предшествующие исследования по эффективной теплопроводности снега.

1.3 Предшествующие исследования по эффективному коэффициенту диффузии водяного пара в снеге.

1.4 Процессы влияющие на тепло- и массоперенос в снеге.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное изучение переноса тепла и водяного пара в снеге»

1.1 Предпосылки изучения процессов тепло- и массопереноса в снеге

Снежный покров представляет собой сложную систему, состоящую из ледяных зёрен различных размеров и форм. Пространство между зёрнами занято смесью воздуха и водяного пара. Изменение размеров кристаллов и структуры снежной толщи со временем определяется в основном внешними приложенными к снегу условиями. Внешние условия сами по себе изменяются в пространстве и во времени, влияя на процессы, происходящие в снеге. Так же как и со множеством других природных явлений, исследователи не имеют возможности измерять все характеристики снега; вместо этого выделяются те, которые принято считать определяющими для того или иного процесса, и все дальнейшие интерпретации строятся на основании взаимоотношений определяющих характеристик снега с теми характеристиками внешних условий, которые возможно наблюдать.

Находясь между грунтом и атмосферой, снежный покров постоянно подвержен температурной разнице между поверхностями, контактирующими с воздухом и почвой. Физические процессы, связанные с наличием температурного градиента, достаточно определённы: тепло, преимущественно переносимое в ледяной матрице снега, так как теплопроводность льда на два порядка выше теплопроводности порового воздуха (кондуктивный теплоперенос)', и поток водяного пара, формирующийся в поровом пространстве и определяемый величинами градиента концентрации водяного пара в снеге, в свою очередь зависимыми от градиентоЕ температуры (диффузия водяного пара). Однако перекристаллизация снега и изменение плотности снега, неминуемо связанные с процессом массопереноса, делают одновременный перенос тепла и пара достаточно сложным процессом. Видимо именно эта сложность приводит к тому, что, несмотря на многолетнее изучение этих процессов, исследователи до сих пор стоят перед целым рядом нерешённых проблем.

Цели предшествующих работ по изучению тепло- и массопереноса в снеге были связаны в основном со следующими практическими задачами: определение корреляции между скоростью формирования горизонтов глубинной изморози в снежной толще с измеряемыми температурами (что необходимо для понимания процессов лавинообразования); влияние снежного покрова на процессы тепло- и массообмена на границе грунт-атмосфера в холодных регионах или в холодное время года; использование снега как теплоизолятора в сельском хозяйстве. Во всех этих задачах определяющими характеристиками снега являлись эффективная теплопроводность снега ке и эффективный коэффициент диффузии водяного пара в снеге Ое. В результате определения этих величин становилось возможным строить физико-математические модели метаморфизма снега [3, 28, 57]. Такие модели могли использоваться как для прогноза лавин, так и для рассчётов глобальных и локальных тепловых и массбалансов.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Сократов, Сергей А.

5. Выводы и приложения

Хотя полученные в данной экспериментальной работе величины коэффициента диффузии водяного пара отличаются от большинства значений предшествующих работ, их, тем не менее, можно интерпретировать как хорошее согласование одновременно и с теоретическими представлениями, и с экспериментальными данными, при приложении к ним более точных с физической точки зрения зависимостей.

Основной результат представленной здесь работы заключается в том, что одновременный перенос тепла и водяного пара в снеге представляет собой чередование зон испарения и конденсации. Расстояние, на котором происходит такое чередование, было около 5 см для использованного в данных экспериментах снега и условий эксперимента. В результате чередования распределения температуры в снеге имеют волнистый характер, с длиной "волн", соответственно, ~5 см. На эти же расстояния происходит основной перенос массы в снежной толще в виде водяного пара.

Использование характеристик наблюдаемых "волн" в рассчётах по массо-переносу позволяет получить значения коэффициента диффузии водяного пара в снеге меньшие, чем коэффициент диффузии водяного пара в воздухе, и, для данных экспериментов, находящиеся в пределах 0,9-1,8х10"5 м2-с~'.

Использование локальных значений плотности потока водяного пара с осредёнными по расстояниям, превьппаюгцим длины "волн", градиентами температуры действительно приводят к получению больших значений эффективного коэффициента диффузии водяного пара в снеге, как это получалось в предшествующих работах, однако такие градиенты не могут приниматься за движущую силу потоков водяного пара локальном масштабе.

Фактор "усиления" диффузии, предложенный Гиддинсом и ЛяШапелем [40], оказывается значительным для переноса водяного пара в снеге. Единственное уточнение, которое должно быть сделано к их построениям, заключается в ^ > необходимости учёта извилистости снежных пор, которая также может иметь значительное влияние на диффузию.

Теоретическое моделирование замеченных в данных работах процессов требует дальнейшего экспериментального изучения. Однако уже на данном этапе можно отметить, что подтверждение правильности предшествующей теории и обнаружение волнистого характера распределений температуры и плотности снега позволяет объяснить противоречия, присутствующие в предшествующих работах.

Так как полученные результаты принадлежат к фундаментальной основе физики снега, обнаруженный механизм процесса тепло- и массопереноса при приложении к уже существующим многочисленным моделям структуры и метаморфизма снега может помочь в понимании одновременного сосуществования потоков тепла и водяного пара.

Подтверждение правильности теоретических построений Гиддинса и ЛяШапеля [40] может быть полезным, например, в интерпретации данных изотопного распределения в толщах полярных ледников—разнонаправленность действия на процессы диффузии пористости снега и фактора "усиления" диффузии объясняет присутствие мощного переноса водяного пара на значительных глубинах. Таким образом может быть объяснена гомогенизация изотопных профилей, замеченная по результатам бурения [44, 61]. Хотя при малых значениях величин градиента температуры присутствие "волн", возможно, и не может быть отмечено стандартными способами измерения температур, можно ожидать, что и в этом случае должны присутствовать зоны испарения и конденсации. Результирующий перенос массы несомненно оказывает влияние на изменение структуры снега, особенно когда малый градиент присутствует многие десятки лет, как это происходит в ледниках.

Когда снежная толща разделена ледяными прослойками, формирование "волн" должно происходить между ними. Это означает, что при небольших расстояниях между прослойками величина потока водяного пара в направлении от одной к другой должна быть очень значительна. Массоперенос в данном случае за короткий промежуток времени способен разрушить структуру снега в непосредственной близости от "тёплой" ледяной прослойки. Отмеченное многими исследователями формирование глубинной изморози под ледяными слоями должно быть связано именно с такой спецификой процесса.

Можно ожидать, что аналогичные процессы имеют место не только в снеге, но и в любом другом пористом материале при температуре, близкой к точке плавления, и под действием температурного градиента. То есть в некоторых случаях приложение температурного градиента к спекаемому материалу, возможно, позволит получить новые, связанные со слоистостью, свойства этого материала.

Необходимо отметить, что данная работа является, по существу, первым представлением наличия температурных и плотностных "волн" в снеге. Несомненно дальнейшее изучение данного вопроса позволит более конкретно оценить их влияние на любые другие, связанные со снегом, процессы.

Выражения признательности

Выполнение автором данной работы стало возможным благодаря предоставлению ему стипендии Японского правительства "Монбушо".

Автор выражает благодарность своему научному руководителю профессору Н. Маэно (Институт Изучения Низких Температур, Университет Хоккайдо) за его помощь и советы не только в научном плане (без чего работа не могла бы быть выполнена), но и в адаптации автора к жизни в Японии.

Автор благодарен также своим рецензентам—профессору Э. Акитайя, доктору Р. Нарузэ, доктору Ю. Фурукава (Институт Изучения Низких Температур, Университет Хоккайдо); профессору С. Фукусако (Факультет Машиностроения, Университет Хоккайдо)—за их комментарии и пожелания в процессе подготовки текста диссертации.

Автор благодарит доктора Ю. Коминами (Национальная Сельскохозяйственная Экспериментальная Станция Хокурику) и доктора И. Такэй (Факультет Фармацевтики, Университет Хокурику) за предоставление возможности использовать их оборудование и опыт в некоторых экспериментах.

Благодарность выражается доктору В. Н. Голубеву (Московский Государственный Университет) и профессору А. Саламатину (Казанский Государственный Университет) за полезные обсуждения получаемых результатов.

Спасибо также всем сотрудникам Института Изучения Низких Температур за их терпение и за помощь в течении всего времени пребывания автора в Японии. Особенно хочется отметить доктора X. Нарита, доктора М. Аракава, доктора Ю. Нишимура и К. Сугиюра.

Список литературы диссертационного исследования Сократов, Сергей А., 1997 год

1. Войтковский К. Ф., Голубев В. Н., Лаптева Н. И., Трошкина Е. С., Ушакова Л. А. и Павлов А. В. (1975). "Массопереное и метаморфизм в снежном покрове". Материалы гляциологических исследований (МГШ (25): 146-152.

2. Войтковский К. Ф., Голубев В. Н., Сазонов А. В. и Сократов С. А. (1988). "Новые данные о коэффициенте диффузии водяного пара в снеге". МГИ (63): 76-81.

3. Голубев В. Н. и Гусева Е. В.(1990). "Математическая модель формирования строения и свойств снежного покрова". МГИ (68): 18-25.

4. Голубев В. Н. и Ермаков А. Н. (1993). "Некоторые особенности миграции водяного пара на границе снежного покрова с подстилающими грунтами". МГИ (76): 19-25.

5. Голубев В. Н. и Сократов С. А. (1991). "Испарение снега в изотермических условиях". МГИ (71): 27-32.

6. Голубев В. Н. и Сократов С. А. (1995). "Миграция водяного пара на границе снежного покрова с мёрзлыми грунтами". Вестник Московского Университета. сер. Геграфия (3): 51-55

7. Коломыц Е. Г. (1976). Структура снега и ландшафтная индикация. Москва. Наука. 206 стр.

8. Куваева Г. М. (1961). "Миграция водяных паров и структурные изменения снега". Труды ТбилНИГМИ (9): 58-63.

9. Куваева Г. М. (1966). "К вопросу определения величины коэффициента диффузии водяного пара в снегу". Труды ЗакНИГМИ 20: 75-78

10. Куваева Г. М. и Сулаквелидзе Г. К. (1962). "Миграция водяных паров в снежном покрове", в кн. Снежный покров. Его распространение и роль в народном хозяйстве. Москва. Изд. АН СССР: 30-38.

11. Морозов Г. А. (1965). "К вопросу определения коэффициента переноса водяного пара в снежном покрове". Труды Первого Всесоюзного Совещания по Лавинам. Ленинград. ГИМИЗ: 3-14.

12. Морозов Г. А. (1967). "Рассчет изменения плотности снежного покрова под действием диффузии, конвекции, возгонки и сублимации водяного пара в нём". Метеорология и Гидрология (Мет. Гидр.) (6): 98-103.

13. Николенко А. В. (1988). "Лабораторные определения характеристик диффузии водяного пара в снежном покрове". МГИ (62): 90-96.

14. Павлов А. В. (1962). Некоторые вопросы теплофизики снежного покрова, в кн. Тепловой баланс леса и поля. Москва. Изд. АН СССР: 186-201.

15. Павлов А. В. (1965). Теплообмен промерзающих и протаивающих грунтов с атмосферой. Москва. Наука. 254 стр.

16. Павлов А. В. (1979). Теплофизика ландшафтов. Новосибирск. Наука. 285 стр.

17. Савельев Б. А., Лаптев М. Н. и Лаптева Н. И. (1967). Строение, состав, физико-механические свойства снега в Хибинах и их изменения в процессе метаморфизма, в кн. Снег и лавины Хибин. Москва. Изд. МГУ: 201-239.

18. Самойлюк В. И. (1988). "Распределение температуры в снежной толще". МГИ (63): 145-149.

19. Самойлюк В. И. (1989). "Избыточное давление в порах снежной толщи". МГИ (65): 169-172.

20. Самойлюк В. И. (1990). "Об избыточном давлении в порах снежной толщи". МГИ (70): 119-121

21. Самойлюк В. И. (1991). "Механизм формирования и развития текстуры снежной толщи". МГИ (73): 59-65

22. Сулаквелидзе Г. К. и Окуджава А. М. (1959). Снег и его свойства. Труды Эльбрусской высокогорной комплексной экспедиции. Нальчик. Кабардино-Балкарское книжное издательство. 1(4): 9-48.

23. Федосеева В. И. и Федосеев Н. Ф. (1988). "Оценка коэффициента диффузии водяного пара в снежном покрове". Мет. Гидр. (2): 132-135.

24. Adams Е. Е. and Sato А. (1993). "Model for effective thermal conductivity of a dry snow cover composed of uniform ice spheres." Annals of Glaciology 18: 300-304.

25. Albert M. R. (1993). "Some numerical experiments on firn ventilation with heat transfer." Annals of Glaciology (Ann. Glaciol.) 18: 161-165.

26. Albert M. R. and McGilvary W. R. (1992). "Thermal effects due to air flow and vapor transport in dry snow." Journal of Glaciology (J. Glaciol.) 38(129): 273-281.

27. Bader H.-P. and Weilenmann P. (1992). "Modeling temperature distribution, energy and mass flow in a (phase-changing) snowpack. I. Model and case studies." Cold Regions Science and Technology 20: 157-181.

28. Brown R. L., Barber M. and Edens M. Q. (1996). A mixture theory for mass transfer based upon microstructure. (в подготовке)

29. Brown R. L., Edens M. Q„ Barber M. and Sato A. (1997). Equitemperature metamorphism of snow. Snow engineering: recent advances, ed. Izumi M., Nakamura Ts. and Sack R. L. Rotterdam, A. A. Balkema Publ.: 41-48.

30. Carslaw H. S. and Jaeger J. C. (1959). Conduction of heat in solids. Oxford University Press. x+510pp.

31. Colbeck S. C. (1982). Growth of faceted crystals in snow cower. Hanover, New Hampshire, Corp. of Engin., U. S. Army Cold Regions Res. and Eng. Lab. 27 pp.

32. Colbeck S. C. (1993). "The vapor diffusion coefficient for snow." Water Resources Research 29(1): 109-115.

33. Fukusako S. (1990). "Thermophysical properties of ice, snow, and sea ice." International Journal of Thermophysics 11(2): 353-372.

34. Fukuzawa T. and Akitaya E. (1993). "Depth-hoar crystal growth in the surface layer under high temperature gradient." Ann. Glaciol. 18: 39-45.

35. Giddings J. C. and LaChapelle E. (1962). "The formation rate of depth hoar." Journal of Geophysical Research (J. Geophvs. Res.) 67(6): 2377-2383.

36. Gray J. M. N. Т., Morland L. W. and Morris E. M. (1995). "A phase-changing dry snowpack model." J. Glaciol. 41(137): 11-29.

37. Gubler H. (1985). "Model for dry snow metamorphism by interparticle vapor flux." J. Geophvs. Res. 90(D5): 8081-8092.

38. Hobbs P. V. and Radke L. F. (1967). "The role of volume diffusion in the metamorphism of snow." J. Glaciol. 6(48): 879-891.

39. Johnsen S. J. (1975). Stable isotope homogenization of polar firn and ice. Isotopes and impurities in snow and ice, Grenoble, IAHS.

40. Kinosita S. and Wakahama G. (1959). "Thin sections of deposited snow made by the use of aniline." Low Temperature Science (Low Temp. Sci), Ser. A 18: 77-96. (на японском с английским резюме)

41. Kominami Y. and Takami S.-i. (1996). "An apparatus in situ measurement of C02 diffusion coefficient of snowpack." Seppvo 58(2): 107-116. (на японском санглийским резюме)

42. LanghamE. J. (1981). Physics and properties of snow cover. Handbook of snow. principles, processes, management & use, ed. Gray D. M. and Male D. H., Per-gamon Press: 275-337.

43. Lowe P. R. (1977). "An approximating polynomial for the computation of saturation vapor pressure." Journal of Applied Meteorology 16(1): 100-103.

44. Maeno N. and Kuroda T. (1986). Fundamental glaciologv I. Structural and physical properties of snow and ice. Tokyo, Kokon Shoin. 208 pp. (на японском)

45. Murakami S. and Maeno N. (1989). "Thermal conductivity of snow and snow/metal mixtures." Low Temp. Sci. Ser. A 48: 13-25. (на японском с английским резюме)

46. Palm Е. and Tveitereid М. (1979). "On heat and mass flux through dry snow." L Geophvs. Res. 84(C2): 745-749.

47. Pitman D. and Zuckerman B. (1967). "Effective thermal conductivity of snow at -88°, -27°, and -5°C." Journal of Applied Physics 38(6): 2698-2699.

48. Roberts R. C. (1963). Molecular diffusion of gases. 252 pp.

49. Schwander J., Stauffer B. and Sigg A. (1988). "Air mixing in firn and the age of the air at pore close-off." Ann. Glaciol. 10: 141-145.

50. Shimizu H. (1970). "Air permeability of deposited snow." Contributions from Institute of Low Temperature Science (Cont. ILTS) (22): 1-32.

51. Sokratov S. A. and Maeno N. (1997). Heat and mass transport in snow under a temperature gradient, in: Snow engineering: recent advances, ed. Izumi M., Nakamura Ts. and Sack R. L. Rotterdam, A. A. Balkema Publ.: 49-54.

52. Sommerfeld R. A. (1983). "A branch theory of temperature gradient metamorphism in snow." J. Geophvs. Res. 88(C2): 1484-1494.

53. Sturm M. and Johnson J. B. (1992). "Thermal conductivity measurements of depth hoar." J. Geophys. Res. 97(B2V. 2129-2139.

54. Takei I. (1996). "Dielectric measurement of snow by means of a parallel-line capacitor." Seppvo 58(1): 39-42. (на японском с английским резюме)

55. Weissberg H. L. (1963). "Effective diffusion coefficient in porous media." Journal of Applied Physics 34Г9): 2636-2639.

56. Whillans I. M. and Grootes-P. M. (1985). "Isotopic diffusion in cold snow and fini." J. Geophvs. Res. 90ÎD2): 3910-3918.

57. Woodside W. (1958). "Calculation of the thermal conductivity of porous media." Canadian Journal of Physics 36: 815-823.

58. Yen Y.-C. (1962). "Effective thermal conductivity of ventilated snow." J. Geophvs. Res, 67(3): 1091-1098.

59. Yen Y.-C. (1963). "Heat transfer by vapor transfer in ventilated snow." J. Geophvs. Res. 68(4): 1093-1101.

60. Yen Y.-C. (1965). "Effective thermal conductivity and water vapor diffusivity of naturally compacted snow." J. Geophvs. Res. 70(8): 1821-1825.

61. Yen Y.-C. (1967). "The rate of temperature propagation in moist porous mediums with particular reference to snow." J. Geophvs. Res. 72(4): 1283-1288.

62. Yen Y.-C. (1981). Review of thermal properties of snow, ice and sea ice. Hanover, CRREL.

63. Yosida Z. (1950). "Heat transfer by water vapour in a snow cover." Cont. ILTS (5): 93-100. (на японском с английским резюме)

64. Yosida Z. (1955). "Physical studies of deposited snow. I. Thermal properties." Cont. ILTS (7): 19-74.

65. Yosida Z. (1963). Physical properties of snow. Ice and snow, ed. Kingery W. D. Cambridge, Mass., M.I.T. Press: 485-527.

66. Yosida Z. and Iwai Y. (1950). "Measurement of thermal conductivity of a mass of snow." Low Temp. Sci. 3: 79-87. (на японском с английским резюме)

67. Yosida Z. and Kojima К. (1955). Acceleration of metamorphosis of snow by temperature gradient. Ass. Int. Hydr. Sc. Assemblée Générale, Rome.

68. Yosida Z. and Kuroiwa D. (1950). "Sublimation in the interior of snow layer." Low Temp. Sci. 3: 89-100. (на японском с английским резюме)