Турбулентность в верхних атмосферах планет

Турбулентность в верхних атмосферах планет [c.40]

В монографии дается систематическое изложение современного подхода к инвариантному моделированию развитых турбулентных течений многокомпонентных химически активных газов, применительно к специфике математического моделирования верхних атмосфер планет. Основное внимание уделено проблеме взаимовлияния химической кинетики и турбулентного перемешивания, а также разработке полуэмпирического метода расчета коэффициентов турбулентного обмена в стратифицированных сдвиговых течениях, основанного на использовании эволюционных уравнений переноса для вторых моментов пульсирующих термогидродинамических параметров. Возможности разработанных моделей многокомпонентной турбулентности природных сред продемонстрированы в ряде вычислительных примеров, описывающих процессы кинетики и тепло-массопереноса в верхних атмосферах планет. [c.2]

С турбулентными процессами в верхней атмосфере планеты связано, прежде всего, высотное перераспределение компонентов (механизмом турбулентной диффузии), изменение скорости протекания химических реакций в условиях турбулентного перемешивания и турбулентный энергообмен (нагрев за счет вязкой диссипации турбулентной энергии и охлаждение механизмом турбулентной теплопроводности). Как уже было отмечено в разд. 1.1.3, упрощенно турбулентную [c.44]

К нижней термосфере относится область гомопаузы в верхней атмосфере планеты, где одинаково важную роль играют конкурирующие процессы молекулярного и турбулентного тепло- и массопереноса. Моделирование этой области сопряжено с определенными трудностями, поскольку требует учета многих факторов, для которых теоретические предпосылки, суммированные в предыдущем параграфе, должны быть дополнены необходимой экспериментальной информацией. К последней относится, в частности, аппроксимация эффективного коэф- [c.246]

Характерным представителем многокомпонентной природной среды служит верхняя атмосфера планеты, отличительной особенностью которой является непосредственное воздействие радиационных факторов при одновременных разнообразных химических превращениях в сочетании с процессами тепло- и массопереноса. Под воздействием интенсивного солнечного электромагнитного излучения происходят разнообразные фотохимические процессы - фотоионизация, фотодиссоциация, возбуждение внутренних степеней свободы (в том числе возбуждение электронных уровней) атомов и молекул. Эти процессы сопровождаются обратными реакциями ассоциации атомов в молекулы, рекомбинации ионов, спонтанного излучения фотонов и ударной дезактивации. Свойства газа формируются в гравитационном и электромагнитном полях при этом важную роль играют процессы молекулярной и турбулентной диффузии и теплопередачи (в том числе и излучением) при различной степени эффективности коэффициентов молекулярного и турбулентного обмена на разных высотных уровнях. Возникающие температурные, концентрационные и барические градиенты приводят к развитию разномасштабных гидродинамических движений, характер которых до основания термосферы сохраняется турбулентным. Определенное воздействие на состав, динамику и энергетику верхней атмосферы оказывает также солнечное корпускулярное излучение и некоторые дополнительные источники энергии (такие как приливные колебания, вязкая диссипация энергии магнитогидродинамических и внутренних гравитационных волн и др.). [c.68]

Наблюдаемые долготно-широтные осцилляции пятен, включая БКП и БТП, напоминают движение верхней части вихря в стабильно стратифицированном сдвиговом потоке. Подобно упорядоченным зональным течениям, их естественно рассматривать с позиций формирования гидрологического цикла в стратифицированной газожидкой среде, с учетом ее химического состава, энергетики и выполнения критерия устойчивости. Понимание всей совокупности гидрометеорологических элементов такой системы, включая взаимосвязь конвективных движений в недрах и атмосферах планет-гигантов со спецификой планетарной циркуляции и турбулентных процессов, наблюдаемых на уровне облаков, при различных соотношениях внутренней и солнечной энергии, является одной из актуальных задач геофизической гидродинамики. [c.40]

Здесь В (хз) = р зКз7 р (>0) - коэффициент турбулентной диффузии в вертикальном направлении <Н >=к<Т> IM g =р lpg - осредненное значение локальной шкалы высот однородной атмосферы), см. (2.3.95) 3 - путь смешения состава в вертикальном направлении. Существенная роль последнего члена соотношения (3.3.3 ) (отсутствующего, заметим, в известной работе Летто, 1951)) при описании диффузии в верхней атмосфере планеты, где средняя молекулярная масса турбулизованной газовой смеси М = р/п сильно изменяется с высотой, очевидна. [c.150]

Как уже отмечалось, конкретизация разработанных теоретических подходов к описанию многокомпонентных турбулентных сред проведена применительно к актуальным аэрономическим проблемам и моделированию процессов, в связи с которыми эти подходы получили свое дальнейшее развитие. Детально исследован диффузионный перенос в верхней атмосфере планеты на основе систематического использования обобщенных соотношений Стефана-Максвелла. Рассмотрена диффузионно-фотохимическая модель химического состава и температуры нейтральной атмосферы Земли в области верхней мезосферы - нижней термосферы и дана оценка величины усредненного по времени коэффициента турбулентной диффузии. Разработана методика полуэмпирического моделирования изотропных коэффициентов турбулентного обмена в стратифицированном в поле силы тяжести, многокомпонентном газовом потоке с поперечным сдвигом гидродинамической скорости. Получены универсальные алгебраические выра-л<ения для определения коэффициентов турбулентной вязкости и температуропроводности смеси в вертикальном направлении, зависящие от локальных значений кинетической энергии турбулентных пульсаций, динамических чисел Ричардсона, Колмогорова и турбулентного числа Прандтля, а также от внешнего [c.314]

Изучение важнейших физико-химических механизмов в условиях турбулентного течения многокомпонентной реагирующей газовой смеси, ответственных за пространственно-временные распределения и вариации определяющих макропараметров (плотности, скорости, температуры, давления, состава и т.п.), особенно эффективно в сочетании с разработкой моделей турбулентности, отражающих наиболее существенные черты происходящих при этом физических явлений. Турбулентное движение в многокомпонентной природной среде отличается от движения несжимаемой однородной жидкости целым рядом особенностей. Это, прежде всего, переменность свойств течения, при которой среднемассовая плотность, различные теплофизические параметры, все коэффициенты переноса и т.п. зависят от температуры, состава и давления среды. Пространственная неоднородность полей температуры, состава и скорости турбулизованно-го континуума приводит к возникновению переноса их свойств турбулентными вихрями (турбулентный тепло- и массоперенос), который для многокомпонентной смеси существенно усложняется. При наличии специфических процессов химического и фотохимического превращения, протекающих в условиях турбулентного перемешивания, происходит дополнительное усложнение модели течения. В геофизических приложениях часто необходимо также учитывать некоторые другие факторы, такие, как влияние планетарного магнитного поля на слабо ионизованную смесь атмосферных газов, влияние излучения на пульсации температуры и турбулентный перенос энергии излучения и т.п. Соответственно, при моделировании, например, состава, динамического и термического состояния разреженных газовых оболочек небесных тел теоретические результаты, полученные в рамках традиционной модели турбулентности однородной сжимаемой жидкости, оказываются неприемлемыми. В связи с этим при математическом описании средних и верхних атмосфер планет возникает проблема разработки адекватной модели турбулентности многокомпонентных химически реагирующих газовых смесей, учитывающей сжимаемость течения, переменность теплофизических свойств среды, тепло- и массообмен и воздействие гравитационного поля и т.п. Эти проблемы рассматриваются в данной части монографии. [c.9]

Эффективность турбулентного переноса в нижней термосфере Сатурна оказалась, таким образом, почти в 100 раз сильнее, чем на Юпитере. Возможная причина состоит в определенном отличии тепловой структуры его стратосферы и мезосферы и более высоком уровне турбулизации, обусловленном процессом конденсации гелия, сопровождаемым его отделением от водорода в глубоких слоях и выпадением на ядро, с чем связывается наличие теплового потока из недр. Несомненный интерес представляет Табл. 1.3.1, в которой приведены наилучшие современные оценки величины коэффициента турбулентной диффузии I) на уровне гомопаузы для разных планет, относящиеся к периодам максимума солнечной активности. В основу ее положены данные, систематизированные в работе Атрейя и др.,1990), которые дополнены имеющимися сведениями об Уране и Нептуне. Как видим, наименьшие величины у Земли, Юпитера и Урана, а наибольшие у Марса, Сатурна и Титана, в то время как у Венеры и Нептуна промежуточное значение. Проведенное обсуждение подтверждает исключительно важную роль этого параметра в определении структуры и теплового режима верхней атмосферы планеты. Поэтому необходимо его более полное и физически обоснованное определение, которое непосредственно связано с детальным анализа самого процесса турбулентного переноса. [c.53]

При создании глобальной модели верхней атмосферы планеты, предназначенной для исследования крупномасштабных динамических процессов и самосогласованно описывающей термосферный ветер, газовый состав и температурный режим, необходимо знание не только молекулярных, но и турбулентных коэффициентов обмена, входящих в определяющие соотношения (3.3.3 ), (3.3.15 ), и [c.247]

Подавляющее большинство гидродинамических процессов и процессов тепло- и массопереноса, определяющих термогидродинамическое состояние природных объектов, таких как атмосферы и недра звезд и планет, происходят на различных пространственно-временных масштабах (от распространения малых примесей в региональном объеме атмосферы планеты до образования гигантских газо-пылевых туманностей, звездных ассоциаций и галактических скоплений) и носят, как правило, турбулентный характер. Турбулентность приобретает ряд особенностей в условиях, когда газ является многокомпонентным, что обычно имеет место в реальных природных средах. Наиболее исчерпывающе такие особенности проявляются при относительно малой плотности газовой смеси, что характерно, в частности, для разреженных газовых оболочек небесных тел -верхних атмосфер планет, состояние которых дополнительно определяется многочисленными комплексами элементарных процессов, инициируемых солнечным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Теоретическое описание и моделирование турбулентности многокомпонентного химически активного континуума в приложении к планетным атмосферам, определяемое понятием аэро-номика, носит, таким образом, достаточно общий характер и позволяет составить представления об основных принципах и подходах, используемых при описании широкого класса турбулентных природых сред. [c.312]

К верхней атмосфере относят разреженную газовую оболочку планеты, часто ассоциируемую с околопланетным космическим пространством. Значительная ее часть служит характерным примером многокомпонентной турбулентной среды. Многокомпонентность обусловлена тем, что газ неоднороден по своему химическому составу, находится в поле силы тяжести и частично диссоциирован. Ключевую роль в тепломассообмене играют разнообразные процессы фотолиза, химической кинетики и диффузии ответственные за энергетику и динамику среды. От относительного вклада турбулентной и молекулярной диффузии в значительной степени зависит стратификация атмосферного газа на больших высотах. [c.40]

Под воздействием турбулентной диффузии, за счет которой, в основном, обеспечивается постоянство состава атмосферного газа с высотой (исключая химически активные малые компоненты), формируются структурные свойства гомосферы, в отличие от гетеросферы, для которой основным механизмом переноса вещества является молекулярная диффузия в разреженной газовой среде. В турбопаузе планеты процессы молекулярного и турбулентного переноса, конкурируя между собой, в значительной степени определяют закономерности структуры, динамики и энергетики верхней атмосферы. Турбулентным перемешиванием в гомосфере в значительной мере контролируется также подвод атомов водорода на уровень экзобазы и, тем самым, скорость диссипации (в данном случае - утекания) водорода из атмосферы Чемберлен и Хантен, 1987). [c.44]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...