Показана принципиальная возможность физического моделирования смерчей в лабораторных условиях без использования механических закручивающих устройств. Приведены результаты экспериментов по изучению возможности управления воздушными вихрями. Описан предложенный и апробированный метод воздействия на воздушные смерчи (торнадо), заключающийся в расположении на пути распространения вихревых структур препятствий в виде вертикальных сеток. Эффективность метода верифицирована в лабораторных условиях путем изучения воздействия указанных препятствий на динамику свободных нестационарных вихрей, имеющих структуру, подобную реальным воздушным смерчам. Кратко рассмотрены основные физические механизмы воздействия на смерчи предлагаемого пассивно-активного метода.
атмосферные вихри, воздушные смерчи, физическое моделирование, метод защиты.
1. Введение
Можно однозначно сделать вывод о полной беспомощности современного человека в противостоянии стихии. Примеров этого достаточно, и они всем хорошо известны. Самыми распространенными проявлениями стихии можно считать ветры различной силы и вихревые атмосферные образования, характеризующиеся широким спектром пространственновременных масштабов. Несмотря на многочисленные попытки ученых из разных стран предложить различные способы воздействия на атмосферные вихри, к настоящему времени эффективные методы борьбы со стихией (ураганы, смерчи и т.п.) отсутствуют.
Воздушные смерчи в классическом понимании относятся к маловероятным событиям в среднем на территории России, однако их последствия могут быть весьма ощутимыми (рис. 1, 2, с.2 обложки). К сожалению, этого нельзя сказать об ураганах, также относящихся к вихревым атмосферным образованиям. Существует ряд регионов (например, Дальневосточный и Южный федеральные округа), в которых циклоническая активность крайне высока. Надо иметь в виду, что любые температурные аномалии (например, летом 2010 г.) приводят к резкому росту вероятности возникновения атмосферных вихрей различного масштаба и интенсивности. Помимо вихревых структур даже в Московском регионе 2–3 раза в год наблюдаются ветры штормовой, а в порывах – и ураганной силы, ведущие к негативным последствиям. Фактического материала здесь можно привести много.
Например, 20 октября 2010 г. в Московской области из-за сильного ветра, вызвавшего падение деревьев и обрыв линий электропередач, временно вышли из строя 300 трансформаторных подстанций.
Воздействие экстремальных ветровых нагрузок, зачастую имеющих вихревую природу, и собственно атмосферных вихрей на различные объекты использования атомной энергии (ОИАЭ) является одним из примеров, когда чрезвычайная ситуация природного характера может привести к техногенной катастрофе планетарного масштаба. Пример тому – недавние события в Японии. К настоящему времени имеется (изданное в НТЦ ЯРБ Госатомнадзора России) руководство по оценке смерчеопасности территории при выборе площадок для строительства объектов атомной энергетики [1-3]. Но задача эффективной защиты ОИАЭ даже не ставилась.
Обеспечение защиты стратегически важных объектов, определяющих обороноспособность (аэродромы и т.п.) и энергетическую безопасность страны (АЭС, ТЭС, трансформаторные подстанции и т.п.), а также объектов социальной инфраструктуры (детские дошкольные учреждения, школы, больницы и т.п.) от ветровых нагрузок и атмосферных вихрей различной интенсивности представляется важной и актуальной задачей.
1. Рекомендации по оценке характеристик смерча для объектов использования атомной энергии. РБ-022-01. Постановление Госатомнадзора России №17. 28.12.2001 г.
2. Рекомендации по оценке характеристик смерча для объектов использования атомной энергии. РБ-022-01 // Вестник Госатомнадзора России. – 2002. – №1. – С. 59–90.
3. Рекомендации по определению расчетных характеристик смерчей при размещении атомных станций. РД 95 10444-91.
4. Алексеенко С.В., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. – Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. – 504 с.
5. Ward N.B. The exploration of certain features of tornado dynamics using laboratory model // J. Atmos. Sci. – 1972. – V. 29. – Р. 1194–1204.
6. Haan F.L., Sarkar P.P., Gallus W.A. Design, construction, and performance of a large tornado simulator for wind engineering applications // Engineering Structures. – 2008. V.30. – P. 1146–1159.
7. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Таекин С.И. О возможности физического моделирования воздушных смерчей в лабораторных условиях // Теплофизика высоких температур. – 2008. – Т. 46. – № 6. – С. 957–960.
8. Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeitsev V.N., Gorbachev M.A. Experimental study of wall-free non-stationary vortices generation due to air unstable stratification // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2012. – V. 55. – P. 6567–6572.
9. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Таекин С.И. Параметры неустойчивой стратификации воздуха, приводящей к генерации свободных вихрей // Теплофизика высоких температур. – 2010. – Т. 48. – № 2. – С. 269–273.
10. Вараксин А.Ю., Ромаш М.Э., Копейцев В.Н., Горбачев М.А. Метод воздействия на свободные нестационарные воздушные вихри // Теплофизика высоких температур. – 2012. – Т. 50. – № 4. – С. 533–537.
11. Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeitsev V.N. Effect of net structures on wall-free non-stationary air heat vortices // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2013. – V. 64. – P. 817–828.
