ИССЛЕДОВАНИЯ ПУЗЫРЬКОВОЙ СТРУКТУРЫ КАПЕЛЬНЫХ ЗАРОДЫШЕЙ ГРАДА

Хучунаев Бузигит Муссаевич

д-р физ.-мат. наук, зав. лаб. ФГБУ «ВГИ», г. Нальчик

E-mail: Buzgigit@mail.ru

Хучунаева Светлана Бузигитовна

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр., ФГБУ «ВГИ», г. Нальчик

E-mail: Khuchunaeva@rambler.ru

Хучунаев Азамат Бузигитович

мл. науч сотр., ФГБУ «ВГИ», г. Нальчик

E-mail: lvlongol@mail.ru

Большое значение для определения уровня образования капельных зародышей и для качественной интерпретации структуры градин имеет исследование пузырьковой структуры зародышей и слоев градин. Основной причиной образования воздушных включений в градинах является то, что растворимость воздуха в воде в 1000 раз больше растворимости во льду. Процессы формирования воздушных пузырьков в градинах происходят под действием различных механизмов, определяющие условия кристаллизации. Так, например, при кристаллизации капельных зародышей вначале замерзания вода пересыщается воздухом, когда пресыщение достигает 20—30 кратных значений, происходит образование пузырьков. Некоторая часть из них захватывается фронтом кристаллизации и включается в лед, другая часть с увеличением давления внутри жидкого ядра обратно растворяется в воде (закон Генри). Нарастание давления внутри жидкого ядра происходит до тех пор, пока механическая прочность, образовавшегося льда в состоянии удержать это давление. Дальнейшее увеличение давления приводит к образованию трещин, в результате чего сбрасывается давление, пресыщение воздухом воды доходит до больших значений, происходит интенсивное образование пузырьков воздуха. Некоторая часть из пузырьков воздуха захватывается движущимся фронтом кристаллизации, другая часть - покидает каплю через трещины. Процесс образования трещин и их залечивание при кристаллизации капель происходит многократно. Авторы [13, 14] наблюдали 20 случаев образования трещин при кристаллизации одной капли.

Попытка математического моделирования образования воздушных включений в зародышах и слоях градин были предприняты в работе [2], однако практическое использование этих результатов не представляется возможным, так как рост пузырьков рассматривается изолировано друг от друга. При концентрациях пузырьков 10³ см³ такой подход вряд ли оправдан. По-видимому, наиболее плодотворным для описания механизма образования пузырьков в ледяных наслоениях градин будет использование метода, разработанного в работах [1, 3], который основан на рассмотрении уравнения конденсационного роста коллектива капель с учетом их взаимодействия.

В литературе имеется большое число работ, посвященных лабораторным исследованиям дисперсности воздушных включений в искусственных зародышах и слоях градин [4—12]. В этих работ показано, что характеристики воздушных включений в крупяных зародышах и слоях градин зависит от многих параметров, таких, как водность, температура, давление, спектр капель и кристаллов, и это не позволило найти однозначную аналитическую связь между условиями образования и характеристиками пузырьков воздуха.

Для капельных зародышей, найден более или менее корректный метод, восстановление температурных уровней кристаллизации зародышевых капель по пузырьковой структуре. Авторы [6, 11] исследуя, в термокамере дисперсность воздушных включений в замерших каплях воды, нашли, что средний арифметический диаметр воздушных включений связан с температурой окружающей среды, при которой кристаллизуются крупные капли. Аналитическое выражение этой связи имеет вид:

где d - средний арифметический диаметр пузырьков, в мкм;

t - температура окружающей среды, при которой происходила кристаллизация капель, в °С;

А - постоянная величина, равная 400 по [11] и 493 по [6].

Необходимо отметить, что в работах, где получены эмпирические формулы связи характеристик воздушных включений с температурой кристаллизации не учитывается то, что скорость кристаллизации определяется не только температурой, но и скоростью воздушного потока. Для исследования влияния скорости обдува капли воздушным потоком и температуры были проведены эксперименты. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе, которая помещалась в большую облачную камеру ВГИ (рис. 1). Капли размерами 2—4 мм шприцом наносились на нити из стекловолокна, которые были натянуты внутри аэродинамической трубы. Скорость воздушного потока регулировалась автоматически с пульта управления камерой. Температура и скорость воздушного потока измерялась термоанемометром. Срез капель проводился на термостолике при помощи лезвий. Измерения концентрации и диаметра капель проводились на цифровом микроскопе. Эксперименты проводились в температурном диапазоне -3- -9⁰С. В каждой точке проводилось по 15 экспериментов. В таблице и на рис. 2 и 3 приводятся результаты проведенных экспериментов.

Как видно рис 2 и 3. при увеличении скорости воздушного потока уменьшается среднеарифметический диаметр воздушных включений и увеличивается их концентрация. Как видно из рисунков, определение температуры кристаллизации капельных зародышей по эмпирическим формулам без учета скорости обдува может привести к существенным ошибкам, так как характеристики воздушных включений зависят как от температуры, так и от скорости воздушных потоков.