26. Навигационный метод

Навигационный метод долгое время был одним из самых распространенных методов наблюдений за течениями. Основные сведения о поверхностных течениях Мирового океана получены путем обработки массовых навигационных определений, заключающихся в сопоставлении счислимых и обсервованных мест судов. Счислимое место судна находится путем прокладки на карте истинного курса судна и пройденного расстояния по лагу. Обсервованное место определяется по данным наблюдений за небесными светилами с помощью секстанта или радиометрических методов: радиопеленгования, радиолокации, спутниковой навигационной системы. Направление сноса определяется направлением вектора, соединяющего счислимое место с обсервованным, а скорость — путем деления расстояния между ними на промежуток времени между обсервациями t

,

где -вектор течений,

,

где -вектор сноса течением за промежуток времени t.

Средняя квадратическая ошибка вычисленных характеристик течений складывается из соответствующих ошибок положения счислимых и обсервованных точек

,

где - средние квадратические ошибки счисления и обсерваций в точках отшествия и пришествия соответственно.

При статистической обработке большого числа наблюдений (иногда достигающего нескольких тысяч) удается исключить неизбежные ошибки, связанные с несовершенством применявшихся в прошлом навигационных приборов и с неточностью метода.

27. Классификация методов измерения течений

Исследования гидродинамических процессов в Мировом океане основываются на прямых и косвенных методах измерения скорости потоков. Выбор того или иного метода измерения параметров течений и характеристик измерительной аппаратуры в первую очередь определяется целью исследований для необходимого диапазона масштабов и способа описания движения. В зависимости от этого используются измерения в фиксированной точке или разнесенные по пространству, выбирается количественный и качественный состав аппаратуры.

В настоящее время существует много способов измерений параметров течений, основанных на различных физических принципах. В соответствии с этими принципами можно выделить несколько основных методов измерений характеристик течений на различных глубинах, в поверхностном и придонном слоях: 1) навигационный; 2) поплавочный; 3) гидродинамический (вертушечный); 4) электромагнитный; 5) термодинамический; 6) акустические; 7) оптические; 8) вихревой; 9) метод меток; 10) электрохимический; 11) неконтактные.

Навигационный метод долгое время был одним из самых распространенных методов наблюдений за течениями. Основные сведения о поверхностных течениях Мирового океана получены путем обработки массовых навигационных определений, заключающихся в сопоставлении счислимых и обсервованных мест судов. Счислимое место судна находится путем прокладки на карте истинного курса судна и пройденного расстояния по лагу. Обсервованное место определяется по данным наблюдений за небесными светилами с помощью секстанта или радиометрических методов: радиопеленгования, радиолокации, спутниковой навигационной системы. Направление сноса определяется направлением вектора, соединяющего счислимое место с обсервованным, а скорость — путем деления расстояния между ними на промежуток времени между обсервациями t

,

где -вектор течений,

,

где -вектор сноса течением за промежуток времени t.

Средняя квадратическая ошибка вычисленных характеристик течений складывается из соответствующих ошибок положения счислимых и обсервованных точек

,

где - средние квадратические ошибки счисления и обсерваций в точках отшествия и пришествия соответственно.

При статистической обработке большого числа наблюдений (иногда достигающего нескольких тысяч) удается исключить неизбежные ошибки, связанные с несовершенством применявшихся в прошлом навигационных приборов и с неточностью метода.

Поплавочный метод измерения течений основан на определении положения в пространстве и во времени поплавков, движущихся с поверхностными водами в потоке. Для измерения характеристик течений используются различного типа поплавки, которые могут запускаться как на водную поверхность, так и на требуемую глубину (поплавки нейтральной плавучести). Скорость течений принимается равной скорости движения поплавка, определяемой по времени прохождения им определенного расстояния. Она является осредненной для участка потока по траектории движения поплавка. Это допущение значительно упрощает определение скорости, хотя, как известно, тело, плывущее по течению, движется быстрее окружающих его частиц воды.

Гидродинамический метод основан на измерении давления, оказываемого потоком на находящееся в нем тело. Между скоростью течения и давлением, оказываемым потоком на тело, существует зависимость:

,

где P- давление потока на тело; C_m- коэффициент, зависящий от формы тела и числа Рейнольдса; ρ- плотность воды; S_T- площадь проекции на плоскость, нормальную направлению потока.

Отсюда:

,

т.е., измерив давление потока на тело, можно определить и скорость течения. Но этот метод в своем прямом приложении не нашел широкого применения, так как обладает существенно нелинейной характеристикой преобразования в диапазоне скоростей течения 0,02—2 м/с.

Электромагнитный метод основан на том, что в потоке морской воды, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения частиц воды относительно магнитного поля. Наведенную ЭДС(E), согласно закону Фарадея, можно выразить как:

E=BLUcosα·10^-8

где B- магнитная индукция; L- расстояние между электродами (база измерения); U- скорость движения воды; α- угол между направлением потока и магнитным полем.

В качестве магнитного поля используются как вертикальная составляющая магнитного поля Земли, так и искусственно созданное постоянное или переменное магнитное поле. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн соизмерима со скоростью света, электромагнитные измерители скорости течения являются практически безынерционными, и их частотные свойства в верхнем диапазоне частот определяются в основном пространственной разрешающей способностью датчиков, т.е. в принципе с их помощью можно измерять средние и пульсационные значения скорости. При этом значение ЭДС определяется путем измерения разности потенциалов между двумя электродами, расположенными в магнитном поле по линии, перпендикулярной векторам магнитной индукдии и скорости потока.

Аппаратура подобного типа позволяет производить измерения средней скорости течения в диапазоне 10^-2-10м/с, мгновенной скорости в диапазоне 10^-3-4·10^-1м/с в частотном диапазоне 1-40Гц. При уровне собственных шумов в пределах 8·10^-4м/с погрешность измерения составляет 3% при постоянной времени не более 1с. Основным препятствием к применению измерителей скорости течений, использующих переменное магнитное поле, является сравнительно большое потребление энергии.

Термодинамический метод основан на зависимости теплообмена между измерительным зондом и средой от значения скорости течения. В этом случае используется либо теплопередача от зонда к потоку (термоанемометр), либо от зонда к зонду через поток. Термодинамический метод используется в основном для исследования пульсационных характеристик течений. Между зондом, введенным в поток, и водной средой устанавливается теплообмен, интенсивность которого в основном зависит от скорости теченияНаибольшее распространение в океанологической практике нашли проволочные, пленочные и гидрорезисторные термоанемометры. В качестве чувствительного элемента (ЧЭ) проволочного датчика используется тонкая (диаметром 2-10мкм) нить из платины или сплава платины с иридием и вольфрамом. По принципу работы различают термоанемометры постоянного тока и постоянной температуры. В первых приборах электрический ток поддерживается постоянным, при этом температура, а следовательно, и электрическое сопротивление изменяются в зависимости от импульсационной скорости. Во вторых- постоянными остаются температура, а значит, и сопротивление, при этом изменяющейся величиной является электрический ток. Здесь ЧЭ можно включить в мостовую схему. Второй способ наиболее распространен в океанологии.

С помощью термоанемометров при скоростях набегающего потока до 3·10^-1м/с удается получить чувствительность 7·10^-4м/с. Приборы подобного типа могут измерять скорости течений в широких пределах от 0,01 до 0,15м/с с погрешностью 2-5%, а их информативность в принципе не зависит от средней скорости потока. К недостаткам термоанемометров следует отнести нелинейность градуировочной характеристики; влияние геометрических размеров датчиков на результаты измерений; зависимость результатов измерений от коррозии, обрастания, поляризационных эффектов и тому подобных причин, что снижает надежность термоанемометров и ограничивает иногда до нескольких часов время их использования.

Акустические методы измерения характеристик течений начали использоваться в океанологии где-то с середины 60-х годов. Акустические методы обладают высокой точностью и чувствительностью, что особенно важно при исследовании процессов турбулентности и малых скоростей течений. Большинство акустических методов основано на принципе измерения скорости прохождения ультразвука в морской воде, ибо скорость его распространения относительно прибора включает в себя и составляющую скорости движения исследуемой среды, вектор которой совпадает с вектором движения звуковой волны.

Основным достоинством акустических преобразователей считается их высокие чувствительность и точность, а также безынерционность и надежность. Однако гидродинамический шум часто ограничивает применение акустических преобразователей особенно если пространственный масштаб измеряемых неоднородностей поля скорости соизмерим с масштабом турбулентных искажений, возникающих при обтекании измерителя. Акустические преобразователи позволяют измерять скорость течения в диапазоне 10^-2-5м/с; нелинейность во всем диапазоне составляет около 1%. Так как преобразователи практически безынерционны, они могут бытъ использованы для измерения как средних, так и пульсационных скоростей течения.

Оптические методы измерения скорости течения подразделяются на доплеровский и фазовый. Для измерения скорости потока и ее изменений во времени используется как искусственное, в виде лазерных или обычных электрических источников света, так и собственное излучение.

Доплеровский метод дает возможность получить частотное разрешение, что позволяет измерять скорости порядка мм/с.

Фазовый оптический метод измерения скорости течений включает в себя известный принцип сдвига интерференционной картины.

Особенностью оптических измерителей является большая чувствительность к изменениям коэффициента преломления света, а значит, и к плотности морской воды. Оптические измерители, используя свою высокую частоту излучения, в принципе могут иметь достаточно высокие разрешающую способность и чувствительность, но относительная погрешность и различные паразитные эффекты аналогичны акустическим измерителям. Кроме того, в них еще возникают большие трудности регистрации и анализа изменяющихся по амплитуде доплеровских сигналов излучения. Следует заметить, что частотный диапазон в спектре течений оптических измерителей оказывается практически неограниченным.

Вихревые методы измерения скорости течений основаны на регистрации последовательности вихрей, возникающих при обтекании различных тел в потоке жидкости, так называемых дорожек Кармана. Регулярные вихри образуются в области чисел Рейнольдса 60-5000, при этом частота образования вихрей f прямо пропорциональна скорости течений:

f=(Sh/d)U,

где d- диаметр обтекаемого тела; Sh- число Струхаля. Для Re<60 течение позади тела ламинарное, для Re>5000- турбулентное.

Для измерения вихреобразований используют термодатчики и датчики давления. В последнее время широко используется метод модуляции вихрями акустического и лазерного лучей. К недостаткам подобных измерителей относятся довольно высокий нижний предел применимости 5-10см/с, а также их критичность к горизонтальному положению, так как частота образования вихрей зависит от вращения измерителя в горизонтальной плоскости, что может занижать результаты измерений на 20-25%.

Метод меток основан на измерении времени переноса потоком определенного, обычно малого, объема-метки с помощью соответствующих приборов. Метки могут быть как искусственными, так и естественно существующими в потоке. Они могут состоять из микрочастиц, (атомов, молекул или ионов) и макрочастиц, взвешенных в исследуемой среде.

Метка может отличаться от окружающей среды температурой, степенью ионизации, зарядом, плотностью, светимостью, коэффициентом преломления, поглощательной способностью, радиоактивностью и т.п.

Погрешность измерения скорости методом меток складывается из погрешности определения времени и пути прохождения меток и погрешности, возникающей в случае отличия скорости движения метки от скорости потока. Если используются искусственные метки, к этим составляющим добавляется погрешность за счет искажения потока самой меткой. С учетом того, что две первые погрешности сравнительно молы, а третью можно надежно оценить, метод меток довольно перспективен для создания образцовых средств измерения характеристик скорости течения.

Электрохимический метод основан на воздействии потока морской воды, смывающего пузырьки газа, возникающие в процессе электролиза. При этом уменьшается и сопротивление электрической цепи. На входные характеристики подобной системы оказывает влияние изменение формы электродов, участвующих в реакции, и диафрагм, окружающих электроды. Эта зависимость дает возможность проводить измерения направления вектора скорости течения при использовании множества электродов. Постоянная времени данных электрохимических ячеек составляет обычно секунды и десятки секунд и в значительной мере зависит от скорости потока. На погрешность измерений оказывают влияние температура, соленость морской воды и гидростатическое давление.

Неконтактные методы дают возможность получать практически синхронную картину распределения течении на больших акваториях за короткий период времени. Использование аэрокосмических методов в сочетании с судовыми наблюдениями и наблюдениями на АБС позволяет получить наиболее полную картину течений и их изменений во времени и пространстве. При изучении характеристик течений аэрокосмическими методами используются разные косвенные методы: от регистрации положения температурных фронтов, уклона уровня, полей цветности до маршрутных аэрофотосъемок положения различных видов поплавков с последующим фотограмметрическим вычислением векторов течений и получения информации с дрифтеров.