Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности
Представлено результати натурних дослiджень розтiкання тонкої поверхневої плiвки на морськiй поверхнi. Експерименти виконувалися в районi океанографiчної платформи в широкому дiапазонi швидкостей вiтру та параметрiв вiтрового хвилювання. Було встановлено, що швидкiсть розтiкання збiльшується з посил...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19765 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности / В.А. Иванов, В.В. Малиновский, А.Е. Кориненко // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 125-130. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19765 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Иванов, В.А. Малиновский, В.В. Кориненко, А.Е. 2011-05-12T18:56:37Z 2011-05-12T18:56:37Z 2010 Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности / В.А. Иванов, В.В. Малиновский, А.Е. Кориненко // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 125-130. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19765 551.466 Представлено результати натурних дослiджень розтiкання тонкої поверхневої плiвки на морськiй поверхнi. Експерименти виконувалися в районi океанографiчної платформи в широкому дiапазонi швидкостей вiтру та параметрiв вiтрового хвилювання. Було встановлено, що швидкiсть розтiкання збiльшується з посиленням швидкостi вiтру. При малих вiтрах розтiкання визначається рiзницею коефiцiєнтiв поверхневого натягу “вода — плiвка”. Вплив довгих хвиль на процес розтiкання плiвок не виявлено. The results of the field study of a thin surface oil film spreading on the sea surface are presented. The experiments were carried out in the vicinity of the Black Sea Platform in a wide range of wind and wave conditions. It is found that the spreading rate increases with the wind speed. At low winds, the subsurface tension difference “film — water” is the only parameter which governs the film spreading. Our data reveal no impact of a swell on the film spreading. Работа выполнена при поддержке проектов INTAS/ESA 06-1000025-9264, Европейской научной программы FP6 (Contract #SST5-CT-2006-031001, Project MONRUK) и Государственногоо фонда фундаментальных исследований Украины по контракту Ф28/435-2009. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Науки про Землю Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности Field studies of thin artificial film spreading on the sea surface Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности |
| spellingShingle |
Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности Иванов, В.А. Малиновский, В.В. Кориненко, А.Е. Науки про Землю |
| title_short |
Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности |
| title_full |
Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности |
| title_fullStr |
Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности |
| title_full_unstemmed |
Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности |
| title_sort |
натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности |
| author |
Иванов, В.А. Малиновский, В.В. Кориненко, А.Е. |
| author_facet |
Иванов, В.А. Малиновский, В.В. Кориненко, А.Е. |
| topic |
Науки про Землю |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Доповіді НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Field studies of thin artificial film spreading on the sea surface |
| description |
Представлено результати натурних дослiджень розтiкання тонкої поверхневої плiвки на морськiй поверхнi. Експерименти виконувалися в районi океанографiчної платформи в широкому дiапазонi швидкостей вiтру та параметрiв вiтрового хвилювання. Було встановлено, що швидкiсть розтiкання збiльшується з посиленням швидкостi вiтру. При малих вiтрах розтiкання визначається рiзницею коефiцiєнтiв поверхневого натягу “вода — плiвка”. Вплив довгих хвиль на процес розтiкання плiвок не виявлено.
The results of the field study of a thin surface oil film spreading on the sea surface are presented. The experiments were carried out in the vicinity of the Black Sea Platform in a wide range of wind and wave conditions. It is found that the spreading rate increases with the wind speed. At low winds, the subsurface tension difference “film — water” is the only parameter which governs the film spreading. Our data reveal no impact of a swell on the film spreading.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19765 |
| citation_txt |
Натурные исследования растекания тонкой искусственной пленки на морской поверхности / В.А. Иванов, В.В. Малиновский, А.Е. Кориненко // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 125-130. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ivanovva naturnyeissledovaniârastekaniâtonkoiiskusstvennoiplenkinamorskoipoverhnosti AT malinovskiivv naturnyeissledovaniârastekaniâtonkoiiskusstvennoiplenkinamorskoipoverhnosti AT korinenkoae naturnyeissledovaniârastekaniâtonkoiiskusstvennoiplenkinamorskoipoverhnosti AT ivanovva fieldstudiesofthinartificialfilmspreadingontheseasurface AT malinovskiivv fieldstudiesofthinartificialfilmspreadingontheseasurface AT korinenkoae fieldstudiesofthinartificialfilmspreadingontheseasurface |
| first_indexed |
2025-11-25T22:45:23Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:45:23Z |
| _version_ |
1850571236350885888 |
| fulltext |
УДК 551.466
© 2010
Академик НАН Украины В.А. Иванов, В. В. Малиновский,
А.Е. Кориненко
Натурные исследования растекания тонкой
искусственной пленки на морской поверхности
Представлено результати натурних дослiджень розтiкання тонкої поверхневої плiвки
на морськiй поверхнi. Експерименти виконувалися в районi океанографiчної платформи
в широкому дiапазонi швидкостей вiтру та параметрiв вiтрового хвилювання. Було
встановлено, що швидкiсть розтiкання збiльшується з посиленням швидкостi вiтру.
При малих вiтрах розтiкання визначається рiзницею коефiцiєнтiв поверхневого натягу
“вода — плiвка”. Вплив довгих хвиль на процес розтiкання плiвок не виявлено.
Проблема загрязнения морской поверхности пленками антропогенного характера остается
актуальной. Для контроля загрязнений и прогноза их распространения необходимо иметь
четкие представления не только о закономерностях дрейфа поверхностных пленок (ПП)
под действием ветра, волн и течений, но и динамике разливов. Изучению растекания ПП
посвящен ряд теоретических исследований. В работе [1] было установлено, что при раз-
личных режимах растекания размеры слика увеличиваются со временем по степенному
закону. Детальный анализ положения границы пятна от времени, распределения скоростей
и толщины пленки вдоль направления растекания выполнен для одномерного [2] и двух-
мерного [3] случаев. Исследования для идеализированного случая кругового растекания
пленки в лабораторных условиях описаны в публикациях [2, 3].
К настоящему времени экспериментальных исследований, посвященных растеканию пле-
нок на морской поверхности при различных ветроволновых условиях, недостаточно. Это су-
щественно затрудняет тестирование численных моделей и оценку реального влияния ветра
и волн на динамику ПП.
В настоящем сообщении рассматривается сопоставление характеристик растекания тон-
кой ПП на морской поверхности с параметрами ветра и волнения, которые получены в ходе
натурного эксперимента. Исследования растекания ПП выполнялись в 2005–2006 гг. в ра-
йоне океанографической платформы (Южный берег Крыма). Методика проведения экспе-
римента и определения значений площадей и радиусов ПП представлена в статье [4]. Для
получения искусственного слика использовалось растительное масло объемом 340 см3. Реги-
страция гидрометеорологических условий производилась на океанографической платфор-
ме. Характеристики поверхностных волн в диапазоне частот 6 2 Гц измеряли с помощью
струнных волнографов.
Значения коэффициентов поверхностных натяжений (КПН) чистой воды σ0 и воды, по-
крытой пленкой растительного масла σS, необходимые для расчета изменений размеров ПП
со временем (∆σ = σ0 − σS), оценивались в лабораторных условиях по методике, предло-
женной в [5]. Согласно измерениям, ∆σ ≈ 32 · 10−3 Н/м.
В ходе натурных экспериментов было выполнено шестнадцать серий измерений при
скоростях ветра от 1,6 до 11,7 м/с. Диапазон высот волн 33% обеспеченности HS составлял
от 0,15 до 1,03 м.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 125
Рис. 1. Зависимости: а — Rd от скорости ветра. Величины, полученные при различных скоростях соответ-
ствуют условным обозначениям на графике (сплошная линия соответствует формуле (1)); б — отношения
большей оси ПП к меньшей (прямая линия соответствует Rd/r = 1); в — средней скорости растекания слика
от ветра: ◦ — по ветру; + — против ветра (прямая линия — значение, рассчитанное по формуле (2)); г —
скорости растекания от HS
Обозначим радиусы большой оси слика, направленные вдоль и против ветра, как Rup
и Rd соответственно. Пример изменения Rd ПП со временем представлен на рис. 1, а, где
условными обозначениями отмечены полученные при различных скоростях ветра следую-
щие значения: ◦ — 1,6. . . 3,6 м/с; △ — 7,8 м/с; ⋄ — 11,7 м/с; начало координат соответствует
моменту разлива растительного масла. Как следует из рисунка, в фиксированный момент
времени значения Rd возрастают с увеличением скорости ветра.
Величины отношений Rd/r, характеризующие вытянутость слика, при различных ско-
ростях ветра приведены на рис. 1, б. Значения радиусов взяты для момента времени 1000 с
после начала разлива (минимальная продолжительность одной из серий измерений). Как
видно из рисунка, при v < 4 м/с величины Rd/r лежат в пределах от 0,9 до 1,1. Следо-
вательно, в штилевых ветровых условиях слики имеют форму круга, что характерно для
растекания ПП только за счет сил поверхностного натяжения. С усилением скорости ветра
слик становится вытянутым и при v ∼ 12 м/с значения Rd/r составляют ∼ 12. Ветровые
зависимости скоростей растекания вдоль ветра udsp = ∂Rd/∂t и против ветра uupsp = ∂Rup/∂t
показаны на рис. 1, в и обозначены соответственно символами (◦) и (+). Величины udsp и uupsp
126 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №3
были рассчитаны для всей совокупности данных в каждой из серий наблюдений и, таким
образом, представляют средние значения. Скорости растекания при слабых v лежат в пре-
делах от 0,01 до 0,02 м/с. При умеренных и сильных ветрах наблюдается увеличение udsp
и uupsp , при этом различие между ними является незначительным.
Рассмотрим особенности растекания пятен ПП при различных волновых условиях. Зави-
симость udsp от HS иллюстрирует рис. 1, г, где условные обозначения соответствуют измере-
ниям при различных возрастах волн α = v/Cp; Cp — фазовая скорость волн спектрального
пика: ◦ — α = 0,9–1,3; + — α = 2–3. Случай, отмеченный символом (•), относится к штиле-
вым ветровым условиям при наличии зыби. Как следует из рисунка, для всей совокупности
точек явной зависимости скорости растекания ПП от HS не наблюдается. С другой сторо-
ны, для групп данных, полученных как при α = 0,9–1,3, так и α = 2–3, видна тенденция
увеличения udsp с ростом волн. В то же время скорость растекания в штилевых ветровых
условиях, выполненного измерения при HS = 0,62 м и v = 1,6 м/с, практически совпадает
со значениями udsp при HS = 0,15–0,30 м.
Отметим некоторые особенности полученных результатов измерений. Во-первых, на-
ми не установлена явная зависимость скорости растекания ПП от высоты ветровых волн.
Во-вторых, величины udsp хорошо коррелируют со скоростью ветра и при штилевых ветро-
вых условиях независимо от высоты волн скорость растекания имеет минимальные значе-
ния, а форма слика близка к кругу.
Согласно работам [1, 3], выражения для радиуса пятна и скорости растекания ПП в раз-
личные моменты времени t можно записать так:
R(t) = K
∆σ1/2
(µρ)1/2
t3/4, (1)
u =
∂R
∂t
= K
∆σ1/2
(µρ)1/2
t−1/4, (2)
где µ — кинематическая вязкость жидкости; K = 0,9 — константа для осесимметричного
случая растекания. Для сопоставления наших данных с моделью (2) величина u0sp усредня-
лась во временном интервале от 200 до 3600 с (см. рис. 1, в).
Рассмотрим растекание пленки растительного масла на морской поверхности при сла-
бых скоростях ветра. Как видно из рис. 1, б, при штилевых условиях отношение Rd/r близко
к единице, т. е. слик за время измерений сохранял круглую форму. Изменение во времени
величин Rd (см. символы (◦) на рис. 1, а) удовлетворительно описывается моделью (1),
показанной на рис. 1, а сплошной линией, при этом скорости растекания, приведенные на
рис. 1, в, близки к модельным расчетам u0sp (прямая линия на рис. 1, в). Таким образом,
динамика тонких ПП в натурных условиях при слабых скоростях ветра практически полно-
стью определяется величиной ∆σ. С усилением ветра, как следует из рис. 1, в, наблюдается
увеличение как скорости растекания ПП, так и отношения радиусов (см. рис. 1, б ).
Как отмечалось в работе [6], растекание нефти также зависит от волнового дрейфа.
В статье [7] сделан вывод о том, что Стоксов дрейф является основным механизмом для
горизонтального транспорта нефтяных фракций. Отметим, что влияние волн на растекание
нефтяных загрязнений в настоящее время не вызывает сомнений. Однако, как видно из
рис. 1, г, нами не установлена связь между скоростью растекания пленки растительного
масла и величиной HS. С целью уточнения роли ветровых волн в динамике ПП рассмотрим
более детально два случая, наблюдавшихся в эксперименте.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 127
Рис. 2. Гидрометеорологические параметры: а — скорость ветра 7 июля 2005 г.; б — частотный спектр
поверхностного ветрового волнения 7 июля 2005 г; в — трансформированное фотоизображение морской
поверхности, полученное через 2100 с после разлива (стрелкой показано положение поверхностной пленки);
г — частотные спектры ветрового волнения при различных скоростях ветра и параметров волнения
Особенность первой ситуации состоит в том, что перед проведением измерений дул ста-
бильный ветер со скоростью 9 м/с (рис. 2, а), а после 11 ч начал ослабевать и в 11,65
значение v упало до 1,6 м/с. Время наблюдения растекания ПП с 11,8 до 12,3 ч отмечено на
рис. 2, а стрелками. Спектры волнения S(f) в интервалах времени от 10 до 11 ч и от 11,8
до 12,3 ч иллюструет рис. 2, б (сплошная и штриховая линии соответственно). Как видно из
рисунка, уровни обоих спектров близки во всем диапазоне частот, а значение HS = 0,62 м
при v = 1,6 м/с снизилось незначительно относительно значения HS = 0,64 м при v = 9 м/с.
Следовательно, измеренная величина скорости растекания ПП, показанная на рис. 1,
г символом (•), получена практически при отсутствии ветра, но при достаточно сильном
волнении. Однако значения Rd/r = 0,9 (см. рис. 1, б ) и udsp = 0,017 м/с (см. рис. 1, в) харак-
терны для штилевых условий. Более того, значение udsp в этом случае близко к модельному
значению u0sp = 0,025 м/с, если скорость растекания определяется разностью КПН “вода —
пленка”. Тот факт, что слик имел форму, близкую к кругу, подтверждает рис. 2, где показа-
128 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №3
но фотоизображение морской поверхности, трансформированное в прямоугольную систему
горизонтальных координат, полученное через 2100 с после разлива (стрелка на рисунке
указывает на положение слика).
Рассмотрим второй случай, когда измерения проводились при существенно разных вол-
новых условиях, но близких скоростях ветра. Рис. 2, г иллюстрирует полученные спектры
волнения: 1 — при скорости ветра v = 10,7 м/с, α = 2,4, HS = 0,32 м; 2 — при v = 11,6 м/с,
α = 1,3, HS = 0,74 м; 3 — при v = 11,6 м/с, α = 1,2, HS = 1,03 м. Измеренные в этих усло-
виях udsp отмечены соответственно цифрами 1, 2 и 3 на рис. 1, г, из которого видно, что
несмотря на значительное различие в величинах HS и обратных возрастах волн скорости
растекания ПП отличаются слабо (0,15, 0,14 и 0,13 м/с). Итак, нам не удалось обнаружить
влияния волн на динамику слика. В то же время значения udsp и uupsp возрастают с усиле-
нием ветра (см. рис. 1, в).
Таким образом, результатами эксперимента установлено, что явной зависимости скорос-
ти растекания ПП от высоты ветровых волн 33% обеспеченности, лежавших в интервале
от 0,15 до 1,03 м, не наблюдается. Более того, при волнении HS = 0,62 м, но слабом вет-
ре 1,6 м/с скорость растекания практически совпадает с результатами, полученными при
HS = 0,15 м. Для трех серий измерений, выполненных при практически одинаковых ско-
ростях ветра 10,7, 11,6 и 11,6 м/с, но существенно различных волновых ситуациях (HS со-
ответственно равно 0,32, 0,74 и 1,03 м), скорости растекания ПП отличались незначительно
и составляли 0,15, 0,14 и 0,13 м/с соответственно; поведение пленки менялось в зависи-
мости от ветровых условий. При усилении v от 6,3 до 11,7 м/с мы наблюдали увеличение
скорости растекания от 0,039 до 0,145 м/с и более сильное вытягивание ПП вдоль ветра.
При слабых ветрах, меньших 4 м/с, средняя скорость растекания ПП пяти серий измере-
ний составляла 0,017 м/с, что близко к значению 0,025 м/с, рассчитанному для случая,
когда динамика определяется разностью КПН “пленка — вода”. При штилевых условиях
отношение размеров ПП вдоль и перпендикулярно направлению ветра близко к единице.
Работа выполнена при поддержке проектов INTAS/ESA 06-1000025-9264, Европейской научной
программы FP6 (Contract #SST5-CT-2006-031001, Project MONRUK) и Государственногоо фонда
фундаментальных исследований Украины по контракту Ф28/435-2009.
1. Fay J. A. The spread of oil slicks on a calm sea // Oil on the Sea / Ed. by D. Hoult. – New York: Plenum,
1968. – P. 53–63.
2. Foda M., Cox R.G. The spreading of thin liquid films on a water-air interface // J. Fluid Mech. – 1980. –
101. – P. 33–51.
3. Phillips W.R.C. On the spreading radius of surface tension driven oil on deep water // Appl. Sci. Res. –
1997. – 57. – P. 67–80.
4. Малиновский В. В., Дулов В.А., Кориненко А.Е. и др. Натурные исследования дрейфа искусствен-
ных тонких пленок на морской поверхности // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. – 2007. – 47,
№ 1. – С. 117–127.
5. Гущин Л.А., Ермаков С.А. Лабораторное исследование перераспределения поверхностно-активных
веществ в поле течений, индуцированных поверхностной волной // Там же. – 2004. – 40, № 12. –
С. 277–282.
6. Elliott A. J. Shear diffusion and the spread of oil in the surface layers of the North Sea // Ocean Dynamics. –
1986. – 39, No 3. – P. 113–137.
7. Boufadel K., Du M.C., Kaku V., Weaver J. Lagrangian simulation of oil droplets transport due to regular
waves // Environm. Mod. фтв Software. – 2006. – 22, No 7. – P. 978–986.
Поступило в редакцию 15.09.2009Морской гидрофизический институт
НАН Украины, Севастополь
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 129
Academician of the NAS of Ukraine V.A. Ivanov, V. V. Malinovsky,
A. E. Korinenko
Field studies of thin artificial film spreading on the sea surface
The results of the field study of a thin surface oil film spreading on the sea surface are presented.
The experiments were carried out in the vicinity of the Black Sea Platform in a wide range of
wind and wave conditions. It is found that the spreading rate increases with the wind speed. At low
winds, the subsurface tension difference “film — water” is the only parameter which governs the
film spreading. Our data reveal no impact of a swell on the film spreading.
130 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №3
|