Обработка результатов

Регистрация производилась практически круглосуточно сериями продолжительностью до 4 часов. Большой интерес для обработки представляют, в первую очередь, стационарные случаи, когда температура воздуха и среднее направление ветра практически не изменялись.

Для обработки была выбраны данные, полученные 12 августа в период времени с 13:16 по 17:16. На рис. 7 представлена двухчасовая запись, полученная с одной из флюгарок. Как можно заметить, ветер практически все это время был восточно-северо-восточный. Среднее значение направления ветра было примерно 117,5 градусов (следует напомнить, что отсчет идет от направления на север против часовой стрелки), а среднеквадратичное отклонение от среднего значения не превышало 10 градусов, что говорит о хорошей стационарности потока.

Рисунок 7

На рис. 8 представлен участок записи продолжительностью одну минуту. Здесь уже видна более мелкомасштабная структура потока. Также можно оценить, на пульсации какого временного масштаба способна откликаться флюгарка. Более точно определить инертность флюгарок можно, если построить временной спектр колебаний направления ветра (рис. 9). Спектры турбулентных пульсаций обычно строят в двойном логарифмическом масштабе. При таком представлении степенные участки, которые обычно имеют место в подобных спектрах, преобразуются в линейный вид. На данном спектре хорошо виден такой линейный участок с коэффициентом наклона . Эта область соответствует инерционному интервалу, ее можно сравнить с аналогичной зависимостью «минус пяти третей» для спектра пульсаций скоростей ветра. Завал в области высоких частот можно объяснить инертностью флюгарки, которая не успевает точно отслеживать колебания направления ветра частотой больше 1 Гц. На рис.10 изображен участок записи с показаниями всех флюгарок.

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

На режим турбулентности так или иначе влияет величина потока солнечной радиации. Для регистрации этой величины использовался пиранометр, на рис. 11 представлена запись показаний этого прибора. Провалы и подъемы на графике объясняются прохождением облаков. Во время эксперимента наблюдалась практически сплошная облачность с редкими просветами, суточное изменение потока солнечного тепла не так ярко выражено, как при ясной погоде.

Температура воздуха и модуль скорости ветра измерялись с помощью аккустического анемометра (рис.12,13). Средняя температура воздуха была равна 35 , а средняя скорость ветра составляла 7,5 м/с. По данным пульсационных измерений температуры, вертикальной и горизонтальной компонент скорости ветра были найдены величины и . Подставив эти результаты в формулу (37), получим оценку для масштаба Обухова

Рисунок 11

Рисунок 12

Рисунок 13

По данным с флюгарки была построена временная корреляционная функция (рис. 14). Радиус корреляции оказался равен с. Временную корреляционную функцию можно преобразовать в пространственную по формуле (14), используя данные о среднем значении скорости ветра в данный период. Для скорости 7,5 м/с пространственный радиус корреляции м. Это расстояние можно принять за характерный продольный размер структур в потоке воздуха.

Рисунок 14

Для оценки поперечного размера структур использовались показания, снятые со всех пяти флюгарок, и была построена пространственная корреляционная функция. Датчики были специально расставлены таким образом, чтобы получить большое количество комбинаций расстояний между ними. Предполагается, что коэффициент корреляции зависит лишь от расстояния между двумя флюгарками, и не зависит от того, где эти флюгарки расположены. Справедливость такого предположения можно проверить, сравнив коэффициенты корреляции для флюгарок F1, F3 и F3, F5. Флюгарки F1 и F5равноудалены от флюгарки F3, и отличие коэффициентов корреляции для этих двух случаев можно принять за величину доверительного интервала при построении корреляционной функции. Так как линия, вдоль которой располагались флюгарки, была практически перпендикулярна среднему направлению ветра, полученную пространственную корреляционную функцию можно использовать для оценки поперечного размера структур в воздушном потоке, рис. 15. Радиус корреляции оказался равен 9 м.

Пространственная корреляционная функция сильно зависит от долгопериодных изменений, которые охватывают сразу все датчики, даже если они находятся на значительном расстоянии друг от друга. Изменение среднего ветра, одинаково фиксируемое сразу всеми флюгарками, не позволит корреляционной функции стремиться к нулю. Поэтому очень большое значение имеет стационарность исследуемого потока и соответствующий выбор участка записи для обработки.

Рисунок 15

На рис. 16 изображены графики спектральных коэффициентов корреляции, определяемые формулой (9), для различных расстояний между флюгарками. Каждый такой спектр показывает, как сильно коррелируют колебания разных частот. Как видно из графиков, основной вклад в корреляционную функцию вносят крупные низкочастотные колебания. И чем дальше расположены друг от друга флюгарки, тем меньше становится влияние высокочастотной составляющей.

Рисунок 16

Измерения производились и ночью. Для обработки была выбрана реализация, записанная в ночь на 13 августа в промежуток времени с 22:50 по 2:50. Средняя температура воздуха за это время была равна 30,6 . Средняя скорость ветра была 6,8 м/с. Поток тепла (как и поток температуры) был слабее чем днем и направлен вниз, что характерно для ночных условий. . .

Временной радиус корреляции оказался равен 3 сек (рис. 17). Для данной скорости ветра такой сдвиг во времени соответствует примерно 20 м. Пространственный радиус составил примерно 6 м (рис. 18). Радиусы корреляции уменьшились по сравнению с дневными значениями. Автоспектр также немного изменился. Степенной участок, имеющий линейный вид при использовании логарифмической шкалы, имеет коэффициент наклона примерно -0,84 (рис. 19).

Рисунок 17

Рисунок 18

Рисунок 19

По данным с шести малоинерционных термометров, расположенных на шестиметровой мачте, была построена карта температуры (рис. 20). На вертикальной оси здесь отмечена высота над поверхностью земли, по горизонтали отмечено время, а цвет означает температуру воздуха. Так как конвективные образования переносятся ветром практически без искажений, временная шкала может быть заменена пространственной по формуле (9). На карте можно различить конвективные структуры, подробно описанные в работе [t].

Таким же образом можно визуализировать данные с флюгарок (рис. 21). Вертикальная ось графика соответствует направлению «север-юг», по горизонтали отложено время (которое, как и в предыдущем случае, может быть переведено в расстояние), цветом на этот раз отмечено направление ветра. Участки с более теплыми цветами соответствуют отклонению направления ветра против часовой стрелки, с холодными цветами – по часовой стрелке.

На рис. 22 вместе показаны записи, сделанные и флюгарками, и термометрами сопротивления. Взаимное расположение мачты с термометрами относительно флюгарок можно посмотреть на рис 1. В промежуток времени между 13:40:25 и 13:40:30 наблюдается прохождение конвективной теплой массы воздуха. Одновременно с прохождением этой воздушной массы наблюдается синхронное отклонение нескольких флюгарок. Кроме того есть участки, на которых потоки воздуха направлены навстречу друг другу, что должно приводить к образованию восходящих воздушных масс.

Однако для регистрации отдельных воздушных вихрей датчики предпочтительней расставлять равномерно. Основной же целью данной работы было вычисление корреляционных функций.

Рисунок 20

Рисунок 21

Рисунок 22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.При подготовке эксперимента было сделано следующее:

А) изготовлены фазосдвигающие цепочки для сельсинов.

Б) выполнена калибровка флюгарок путем сопоставления угла поворота флюгарки с выходным напряжением фазометра

2.В ходе эксперемента было установлено

А)Для реализации 12 августа при восточном ветре со скоростью 7,5 м/с поперечный радиус корреляции составил 9 м. Временной радиус корреляции составил 6,8 сек, что соответствует приблизительно 51 м.

Б) для реализации в ночь на 13 августа поперечный радиус корреляции составил 6 м при ветре 6,8 м/с. Продольный радиус корреляции приблизительно равен 20 м.

В) автоспектр вариаций направления ветра имеет степенной участок с наклоном -1 для дневной реализации и -0,84 – для ночной.

Г) участок спектра Гц характеризуется быстрым спадом спектральной плотности, который характеризует инерцию флюгарки.

3. Вычислены спектральные коэффициенты корреляции вариаций направления ветра для различных расстояний между датчиками в направлении поперек потока

4. Были построены вертикальные карты температуры

5. Были построены горизонтальные карты направления ветра