автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Методы управления тепловым режимом гляциальных образований и грунтов в условиях промышленного освоения высокогорных и высокоширотных районов



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 3 НА! ЛЕНИ ТЕКСТИЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. А.II.КОСЫГИНА

На правах рукописи

Мерэликин Нладимир Гаврилович

УДК 535.33:551.321.8

МЕТОДÍ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВШ РВЕИМОУ. ГОЩЖЛЫШ ОБРАЗОВАНИИ И ГРУНТОВ в УСЛОВИЯХ ПРОйЬШШЮГО ОСВОЕНИЯ ВЫСОКОГОРНЫХ И ВЫСОКОШИРОТНА РАЙОНОВ

Специальность 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учено 1 степени кандидата технических паук

// (/О // \

Москва .t-'Vj-O г.

Работа выполнена в Московском ордена Трудовсо Красного Знамени .екс?ильном институте имени А.Н.Косыгина.

Научный руководитель - дсктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник КРАСС МАКСИМ СЕМЕНОВИЧ

V

Официальный.оппоненты- доктор географических наук, ведущий научный сотрудник ЕСЖШСКШ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ - кандидат технических наук, доцонт

корнюхин игорь иегробич

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

Арктики и Антарктики, Госкомгидромет СССР, г. Ленинград'

Защита состоится в часов на за-

седании специализированного совета К 053.25.08 в Москоеском ордена Трудового Красного Знамени текстильной институте им. А.Н.Косыгина по адресу: 117918, г. Москва, М,Калужская ул.,ц.Х.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института, Автореферат разослан

'¿У-с-Г 1990 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА кандидат технических наук, доцент Оь^^^ КСРНЕЕВ С.Д.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РЛБОШ

Актуальность тепы. В. настоящее время при проведении науино-испледовательских разработок по строительству и эксплуатации различных промышленных теплоэнергетических я" инженерно-технических объектов в высокоширотных и высокогорных районах остро встал вопрос о сохранении экологического равновесия в природной среде. Районы СССР, где срочно требуется решать проблемы сохранения окружающей среды - это полярные и субполярные области, а также засушливые районы Средней Азии. На Севере это касается прежде всего областей распространения вечной мерзлоты, в которых непродуманное интенсивное промышленное вторжение сопровождается прогрессирующими темпами уничтожения растительного покрова в результате не только его прямого разрушения, а нередко как следствие строительства и функционирования теплоэнергетических и коммуникационных сооружений. Это вызывает протаивание грунта, нарушение водноэнергетического баланса «¡иссушение почвы) и образование пустынных участков. Поэтому введение с практику строительства искусственных методов направленного охлаждения грунта кьляется зажной задачей.

Несколько иное положение ■ складывается в зонах высокогорья и смежных с ними пустынях и полупустынях. Еозникает потребность з практическом использован:«! и проявленном освоении потенциальных оз-пасоэ пресной поды гляциальных образований с учетом восполнения ледниковых запасов и стабилизации водного стока. Это возможно осуществить при применении методов искусственного усиления таяния ледниковых" покровов.

Таким образом получение каучногс прогноза массоэпергосбмена в крпосфере Земли является насущной задачей в многочисленных проектах освоения высокоширотных и высокогорных районов.

Цель работы. Исходя из поставленных задач необходимо: -создать ноше модели радиационного теплопереноеа в снежно-ледяных толще»: (СЛГ) и грунтах,

-разработать рекомендации по практическим мотедем регулироьанкя режимов таяния СЛТ и охла-кдения грунтовых покровов.

Научная новизна. 3 диссертационной работе впервые рассмотрены проблемы тепломассообмена снежно-ледлнкх покровоз с позиций оптики расг.еиэаядах сред в условиях объемного прогрева, изучено влияние плсисчних покрытий на режим таяния лелпмкоа', исследована метой! г-ьтулпрозг-ьня режима охлаждения, грунта в'яолясних и суЗполкртк районах.

Методологические основы исследования. Если для грунта, как

непрозрачнойi поверхностно поглощающей среды применимы традиционные меЯоды расчета радиационного теплового режима при воздействии излучения в видимой и ИК- областях спектра, то для снега и льда, представляющих собой светорассеивающие объемно поглощающие среди в коротковолновом диапазоне длин волн, должна быть выработана методика с учетом как поглощения, так п отражения определенной толщей вещества. До сих пор рассмотрение в гляциальных средах переноса излучения ограничивалось в основном учетом ослабления ■ лучистой энергии по закону Бугера, по которому объемное отражение фактически приписывалось поверхностному. Поэтому использование, в данных исследованиях математического аппарата теории рассеяния и распространения' излучения в оптически неоднородных средах позволит корректно подойти и к решению задачи сложного теплообмена в полупрозрачных гляциальных образованиях.

Основные научные положения и результаты, В представленной диссертационной работе приведены:

I - теоретические (оптико-теплофизические) модели снега и льда, , 2 - модели радиационного теплопереноса в снелшо-ледяной спото-рассепваищей среде,

3 - аналитические и численные решения ряда краевых задач лучистого теплопереноса в оптически неоднородных поглощающих и излучающих средах, обеспечивающие оценки- оптических и тепловых параметров ледниковых и грунтовых покровов,

4 - конкретные методы регулирования режимами радиационного тепломассообмена естественных покровов - нанесение теплоперецающих слой! обеспечивающих усиление интенсивности таяния СЛТ или охлаждение Грунтов.

В диссертационной роооте защищается: ■ I. Новый подход к исследованию объемного прогрева снега и льда с позиций оптики рассеивающих сред в рамках радиационной теплофизики полупрозрачных материалов.

2. Методы регулирования теплового режима . снежно-ледяных толщ и грунта.

3. Практическое использование результатов решения задачи сложного теплообмена для полупрозрачных и непрозрачных сред, защищенных терморег^лируюиими покрытиями, обеспечивающими дополнительный прогрев или охлакдение подстилающих естественных покровов..

Достолерность полученных теоретических данных подтверждается

удовлетворительным совпадением результатов модельных, численных и аналитических оценок, а также экспериментально измеренными оптическими характеристиками и параметрами теплового режима, приведен-^ них в научно-технической литературе и рядом непосредственных испытаний, . например, разработанного перфорированного терморегулирутощего покрытия в естественных условиях.

Практическое значение результатов и рекомендации по их внедрению, Разработанные инженерные методики расчета процессов взаимодействия излучения с гляциалышми средами и грунтами позволяют оценить их оптические и тепловые параметры, которые могут быть использованы при анализе теплового режима природных покровов в условиях переменной лучистой и конвективной тепловой нагрузки в пэрйод времени,пока абляционное разрушение не станет преобладающим фактором дальнейшей эволюции исследуемых ледников или процесс не станет стационарным. С, целью усиления интенсивности таяния фирновых или ледякых полей, последние покрываются перфорированными, например, полиэтиленовыми пленками. Для охлаждения грунта предусматривается его укрытие двухслойным покровом на основе доступных материалов типа щлака к металлических стружек.

Комплекс разработанных алгоритмов и программ позволяет предложить процедуру оптимального выбора физических параметров гляциаль-ных образований и грунтов, характеристик внешней среды, обеспечивающих требуемый тепловой режим естественных и искусственных покровов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 150-летию МВТУ им. Н.Э.Баумана (г. Москва); представлялись на научно-техническом семинаре в НШ Арктики и Антарктики (г. Ленинград) соответственно в 1980 и 1988 г.г. По теме диссертации опубликованы две статьи, книга, получено положительное решение но изобретение, подана заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех пав, заключения, списка литературы (77 наименований), условных обозначений. Рабста изложена на 161 стр. машинописного текста, включает 12Ь стр. основной темы, 49 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДгК-ЖЗ РАБОИ

Введение пнеерртаина содержит обоснование актуальности' и методологической основы исследования, краткое излечение состояния

научных разработок по радиационному теплообмену в гляциальных средах с позиций оптики рассеивающих сред, формулируется цзль и краткая характеристика работы.

Р первой главе диссертационного исследования излагаются основ кыз направления изучения теплоэнергетических свойств снежно-ледяных и грунтовых покровов, включая классическое определение оптических характеристик, а также представление внутреннего теплового и> точника в полупрозрачной среде в основном как сложный комплекс ом лирических факторов. Показано, что для корректного исследования радиационного теплообмена в оптически неоднородных срсдах, нроС-ходимо перейти от опосредственно ьаложеннкх в коэффициентах ураш ния теплопроводности и граничного условия как параметров снег) и льда, так характеристик внешней средь. к реальному объемному л; чистому теплопереносу. Это определяет требование к моделирование внутреннего теплового источника, обусловленного проникающей коротковолновой солнечной радиацией. Дано качественное объяснение ряд; парадоксов з теплофизике снега и льда, например, эффектам подповер) постного нагрева и таяния при низких температурах окружающей среды, Проанализирована общая постановка задачи регулирования (управленш радиационным теплоперенссом в полупрозрачных гляциальных средах. Р< смотрены спектральные характеристики естественных покровов и исто' ников лучистого воздействия. Если значения теплофизиче^ких харакг ристик СИР неоднократно подтверждались многочисленными экспериментальными измерениями , то оптические параметры имеют не только бол; шой разброс в своих оценках в физическом материаловедении, глгциол> гки, мерзлотоведении, но и пгдчас противоречивую трактовку. При ¡этом значения показателя поглощения снега обычно бывают завышены : счет вклада в суммарное ослабление излучения процессов рассеяния, которые,как правило, не лолуча:от адекватного толкования. В резуль тате пропадала связь между показателем рассеяния и альбедо, коофф центом- отражения снежко-ледяноЙ толщи, как объема в цело. . Поэто в теплобалансовых соотношениях поглощенная энергия коротковолновог излучения приписывалась не енутрзннему объему, а фактически только облучаемой граничной поверхности. Как следствие такого подхода невозможно било корректно теоретичзоки получить температурные расп деления в СЛТ, а зарегистрированные температуры в верхней части деятельного слоя ледников не получали удовлетворительного объясн ния.

Бо второй главе рассмотрен лучистый перекос в оптически неод.ч

родных снелшо-ледяных покровах. Приведён'анализ процесса свето*-' рассеяния, в модельной среде, центрами неоднородностей которой являются ледяные . слабопоглощаотиё частицы! с, эффективным диа-' метром: .D ■. Для, расчета эффективных факторов рассеяния , поглощения и экстинкцйи -йс?с+ использовалась теория рассеяния Г.Ми. ' Полученные ■ такйм образом оптические' ' свойства элементарно- • •го' объема . ойтически неоднородной среды позволяют перейти' к решению 'уравнения :переноса излучения,' реализованного' в данной работе é одномерном приближении с учетом -многократного рассеяния. Используемая феноменологическая модель переноса лучистого потока позволяет получить несложные аналитические оценки' коэффициентов . отражения Z (70), пропускания Т (7Q)поглощения и функции

внутреннего радиационного источника F (. ¿, "Ц0, )., .связанных ■ 'непосредственно с показателями поглощения Эз '(, м-^), рассеяния ■ ■б ( м-1) или экстинкцйи d С м"^), ■представляемых как суммы сечений-поглощения, рассеяния г зкстинкции соответственно по // частиц. Тогда для монздисп^усной, смеси частиц, например, имеем: '

•' эе « d » /i Vp2^ , (Г

При известной функции распределения частиц по размерам наедем . оптические параметры 'длд полидисперсных ансамблей рассеивателей. Рассматривая введенные показатели ослабления irai: феноменологические, значения которых для-п<ютноупако ванных сред при.наличии экспериментальных данных можно скорректировать в рамках решения обратной задачи распространения света в веществе, коэффициенты отражения,-пролус--кания и поглощения в-одномерном пр'йб.имении (в прикладных ^опросах) удобно' представить в виде: _

I - ехр ( - 2 é А )

-s----°—А'

I - А* ехр ( - 2 б ¿0)

(I - А2) ехр ( - è ¿Л

ï ( *0\ =-х-------'" , (3)

I - А2 схр ( - 2 Л iQ)

(I - А К I - е."р(- о .-0)) aU0) =--------— А , • (-)

J2_

I + А схр ( - -б )

где

-Ъ = у^г + 2 б - показатель иэлучеяи5,

А = ¿4 =<~J) = (<f - S +эе) - отражение ст

палубескоНечного слоя светорассеивающей среды в одномерном приближении. •'

• Для плоскопараллельной пластины толщиной функция поглощенной онергии, используемая в дальнейшем как неоднородная часть уравнения . теплопроводности,; представлена рыракением:

' . ■ I - А е 0 '

, На основе указанного методологического подхода были разработаны оптико- теплофизические и структурные модели наиболее типич--ных состояний снега и льда, оптические параметры которых могут определяться экспериментально из решения обратной задачи перено-г са излучения (см. таблицу). Оценка значений альбедо и показателя ослабления может осуществляться непосредственно путем обращения Лор-мул (2) и.(3) при.экспериментально зарегистрированных коэффициентах отражения и пропускания. При этом в качестве исходных данных выбираются наиболее достоверно определяемые параметры - альбедо снега ( А «= 20 * 96$ ) и показатель поглощения ( эе = I + Юм-'' Тогда значения, показателей рассеяния, соответствующие основным типам гляциальных образований, равны'.пля льда 6 = 1*5 ( А^в'

30 + 5032 ), фирна 5 + 30 м"1 С А^ 40'* 70$ ) и снега 30 + 1000 м-1 ( А,- 70 т 962 ).

1аким 1 'образом, параметрическое исследование' радиационного теп-лопереноса в светорассеивающей среде(СРС), как ансамбле ослабляющих '' частиц, включает в себя предварительный ' анализ зависимости . оптических:-свойств среды от вещественного и фракционного состава, а на^ конечном этапе собственно решение уравнения теплопроводности с

граничными условиями, определяемыми постоянными или переменными1 конвективные и терморадиационным длинноволновым'атмосферными потоками, Схема на рис.1 показынаст механизм' регулирования (управлесйя теплота:, режимом СДТ как функции оптических свойств, зависящих от структуры ледяной матрицы. Перспективна и обратная процедура анализа -оптико-теплофизических параметров по заданным характеристика!.: теплового рекима• естественного покрова. Э^от /¡уть позволяет1 . корректирогать исходные, данные характеристик среды.

Построенный оптический олок позволяет перейти к.рассмотрению краинсЯ задачи нагрева вплоть, до процесса таяния на поверхности. :«и •' ь сръсм при характеристиках окружающей среды Тд , 0о „ рамках

предлагаемоРо рап.идциои.чо-концуктивиога кехашзмп. ппогрииа СРС:

Таблица.

С^гпческие модели и параметры снега ( ^ ) и льда С ), используемые при расчета*

теплового режима снежно-ледяных толщ.

1 1 Г;:п слг Условное 'бозпГЧсние оптической «одели | йиэическая | | характеристика СЛТ эе н-1 б м-1. .л 4 . м-1 . А % 1 м

( -.'2/2-15 1 | загрязненный лед I 2 2 4 . 3,48 18 4

(1/1-27 ! прозрачный лед с флук-туациями плотности .1 I I 2 1,73 27 10

лер 2/1-за : потрескавшийся лед 2 I 2 3 2,20 38 2

. 16! э£-к I 10/1-64 | "белый" лед ■ 10 I 10 . II 4,58 64 I

НС/2-эЗ ' загрязненный фирн 5 • 2 ■ 10 12 2,11 53 0,8

снег з Ю/1-С-1 чистый фирн 10 I" 10 12 - - 4,58 . .64 I.

J б/ас-А ЮС, 1-с7 ■ уплотненный снег .100 I 100 - 101 . 14,21 87 0,5

1 ! ! гсежевыпавлий снег 1 1000 I 1000 . 1001 44,73 96 0,1

Теплофизпческие характеристики снега и льда '

о ( кг. [Г3 ) . с. (Дх-кг^К-1 ) (Вт-м"1-^1 ) •

дед 900 2,12 2,20 .

снег ЬСО ' 2,12 . ■ 0,56 • •

изолированная макроскопическая рассеивающая и поглощающая

" . Частица •.

с комплексным показателем пре-'ЛОмйения/п=Л-1^'и эффективным диаметром при взаимодействии, с потоком коротковолновой радиации ' % ■

моделирований . фракционного • 1 состав^ полидисперсных ' •' частиц'. ..

" . блок сравнения ' и анализа • оптико-структурных свойств СРС '

лабораторные и пЬлевые '. измерения оптических • характеристик' • •■• . ■ И ■

тепловых параметров., естественных покровов1

•: " оценка' факторов эффективности ослабления

с -использованием теорий рассеяния Р.Ми-

■ вычисление параметров . ' поглощения, рассеяния, ослабления

• 6 л Чл Я '

для ансадмбля ослабляющих'.частиц.. (элементарный объем СРС)''

■. 'выбор феноменологической • ' модели' СРС-

для снежно-ледяной толщи _______

.решение уравнения переноса

• .• излучения, в условиях.многократного

-. ■ • . рассеяния ■ . •, _____

расчетные слектрофотометрйческиё •

характеристики • отражения, пропускания и поглощения'

определение функции поглощенной-.онергпи в ,СЛТ

1 о ' г&>' л 1 -* '■

п.ля решения-урагнения теплопрсподьоети. в условиях гучастого 'объемного и по-^рхностксго • ¡онь'лмипнога, а тамо длинноволнового тзрмо-: ¿адиауяонногс п^ог^еля: • Т'*, к)

Рис.1.Схема параметрического' регулирования теплового рсд:иа гляцпальных образований и грунтов

с

• -эт • а ~ зт •'■•'•' " . . ■, ■ .,

э«; .эг • : ъг

. ? - о. В (ТА -ту с0 с т^-т4 )-, ' ■. •

': ■' . бт '.'"•■ ' ' ' - ••■■■• / = . ; •

гае о - Постоянная .Стефака- - Боль'цмаИа, • ■ ■ • -..•• • •'.'•

Лу - коэффициент Теплопроводности,• * * V .'• ■'■

с -,- удельная теплоемкость', '. , . ' •• ''.

- ' - плотность вещества, " . ■ .. '.■'•'.■.

. В - коэффициент теплоотдачи атмосфера - поверхность' СЛТ, '•£.-- удельная'теплота плавления льда, ' '-. ■■ •• '. • .

= (Е д1 + : '- эффективный .коэффициент черноты'и ' '.

ближней'и средней■• Ж- областях-'спектра, • • . : '.

с'д ,'коэффициенты 'ч'еркоти 'атмосферы и поверхн'ости'СЛТ!-. ■ _ ' ' ■ ' Так как'представленная задача име.ет'нелинейные граничше ... - 'условия, то'её' решение 'было получеИо численным ; методом. Аналитические/

• оценки' подтвердили правильность разработэ.нного' алгоритма/вычисления;' ,

На рис.2 показа:! расчетный профиль температуры длй евдг.о- ' ■, -." рассеивающего снега модели, 4100/1-87; Выхолаживание на по-в?рх.ности СЛТ- вызывает, 'замедление роста'ее температуры, 'в то время к^к про- • ' должаюяийся ббъемный прогрев обуславливает внутренний перегрев-.и достижение точки таяния ка определенной'.глубине. в'зависимости. '. ',

. . . ■ . ■ ■ .и ' . - «'-X , . • .....

от температуры воздуха Тд. • • .'■ ' .' ...'.-..-■ ••,•'

-Наличие-, осциллирующих, внешних исгочникоа' ТдС.^.) ^ £.'+,• •) •/ может усиливать, этот процесс в зависимости периода' колебания. ;5нйш->': ■ пей ■ тепловой нагрузки.' .'.,■ ■■'.".'' •' • .."'.-■. '.- ■"• .'.•'.'; •

' В зависимости от типа-поверхностного слоя ленника - .ледяного, ■•.'

• сне,:ного, - изменяется дол'я -пронй:саю1а-эй солнечно^ радиации ¡\ соо,т- ■

. ветственно температурный, профиль смещается . вглубь. СЛТ при- умечь-г-'.''.' тении показателя'ослабления.:• рЬссеяни« или,' поглощения.' С'рссть*;; \ '.• эт'их параметров температурное распределение характеризуется,более ■"':'.;-крутым спадом в приповерхностной области- облучаемой , границы... ., . ,...'

Таким обратом, затухание' тепловых волн'в полупрозрачной, СЛТ, .'. как отклик глубинных слоез на изменений внешней'тепловой нагрузки,

2, м

Рис.2.Расчетные температурные распределения в слое снега толщиной I м модели <£ 100/1-87; V 9ь= 375 Вт/м2, Тд= 5К

(кривая I), 100 К (2), 223 К(3), 250 К И), 265 К (5), 272 К (6).. Индекс "м" соответствует распределениям в момент достижения.точки таяния: 5м - 5 суток, 6м - . 0,3 суток.Кривые 1*6 -4=3 суток.

зависит ст коэффициента температуропроводности (1 и частоты колебаний . внешних тепловых источников, а также показателя ослабления Л излучения в коротковолновом диапазоне длин волн. Если . дало колебания с равными частотами потока' солнечного излучений и температуры атмосферы происходят в одной фазе, то сохраняется разность фаз меаду температурными волнами, обусловленными соответствующими компонентами суммарного тепловою потека.

Для нгпаозрлчных материалов отсутствие елияния на прогреб среди прониклоцей радиации визыгтет сдвиг' по фазе глубинной тздлератудо только за смет изменения Тд(0. В случае полупрозрачна свсторассеивалщих снекно-ледяних толщ подобный эффект (тер цорздиацпоннг.Р резонанс) имеет .место, когда изменение т^мле-ратуры, определяемое объемным прогревом солнечного излучения, про исходит еинфално с колебаниями температуры атмосферы. Отмеченной

о

термора.рационный резонанс для снега или льда задается следующих свотношсилеы «ежау оптйко-теплвфизическими парамсграми'СГГ, периоде*! колебаний 10 - 2 31/о потока солнечного н;'::ун<?н1:я и температурь' ятмвефа)щ и раздеть»» ^пл^меж^у пит:

I »уТгс^ул о.) . (?)

С), , Вт/м2

Рис.3. Суточный тепловой баланс (кривая А - расчет) фирно.-вого покрова модели 4 200/1-91 для антарктической ст. Восток.

Гистограмма экспериментального теплового баланса длипно-и коротковолнового излучений; , 2 -кондуктивные и 3 -конвектив--ныв теплоше потоки; 4 -затраты тепла на испарение, штриховыми линиями обозначены расходы поглсденного тепла без учета затрат энергии на испарение.

Указаюгый эффект для снега (А4*-60%) выполняется при 0,9$(/'<1,3; льда (А^-^40^) - Таким образом, фазовый сдвиг по времени

между температурными волнами в СЛТ, обусловленными воздействием сол-иечиой радиации и тешературы атмосферы достигает нескольких часов • для зон высокогорья в летний период. Полученное решение позволяет учесть неидеальны'й теплообмен даже для непрозрачных сред (для которых показатель ослабления будет.определяться только поглощением), а тчкже внести существенные коррективы в ралределение полей'напряжения при терморазрушениях в массивах льда с учетом проникающего потока солнечного излучения.

В этой же главе рассмотрены тепловые режимы в многослойной то'лце из снежных и ледяных прослоек, которые образуются при'ежесуточном таянии, что вызывает при определенных условиях смешение температурного максимума вглубь ледника.

В третьей главе исследован радизцийино-кондуктиггый теплообмен в естественных ледниках. С целью проверки предлагаемого методического подхода при вычислении параметров теплового режнп снега и льда били рассчитаны температурите распределения для аитзрхтичесхих фарнэгех полей (янвлрь), характеризуются длительными периодами стабильного солнечного облучения. Наблюдаемая в отдельных эксперч-менталишх исследованиях инверсия температурного профиля па глубине получила с?ое подтверждение. Но наибольшую ценность преустайля-ет совпадение 6 пределах-^ЗЭД кемпенентой теплеовгв баланса (рис.3).

Т4

•/•Существенно ' меняется режим . таяния- свсторассеив£кщей СЛТ при наличии в ней поглощаоших прослоек, например, 'увлажненного снега ил.и . прлповерхностнис - пятен .загрязнений. Это вызывает избирательный режим .поглощения по толщине - проникающей коротковолновой .радиации.-' С .учетом "парникового" .эффекта скорость, протаи'вания возрастает,' что обуславливает образование'неравномерно по снежной

■ плдщйдкц' определенного- инженерно-технического сооружения проталин, колодцев, препятствующих ■ дальнейшему функционирование данного'объекта. Действительно, расчетные-оценки подтверждают образование на ■ заснеженном летном поле а весенний период при интенсивной инсоляции СЛТ.колодцев глуби.ной порядка метра в -течение.месяца под следами загрязнения. С целью -устранения указанных процессов .рекомендуется -для.снежного, аэродрома не только укатывать фирн, но и периодически срезать -чйст-ь поверхностного снежного слоя. . ;

.' . -В работе' "приведены температурные распределения в комбинированных, чередующихся снелн-о-ледяных • толщах, какаая прослойка -.которых .- имее? собственную оптико-гтеплофизическуй модель.

В -обеспечение решения задачи ■ создания искусственных методог .усиления - интенсивности, таяния .ледниковых -покровов предложено укрывать СЛТ- полупрозрачным покрытием с определенным_ коэффициентом пропускания Г^ ■ , а при'использовании светорассеивающего покрытия . .существенен вклад .¡1 коэффициента отражения. Тогда для ледника с . альбедо А- при Воздействии коротковолновой солнечной радиации О

* " м - ■ . . • и

к. конвективного, а т.акке длинноволнового, терморадиационного потоков безразмерная скорость таяния ¿, т„/ определяется выражение;-

■ ^"•''У^ . 'о*-*,.'. <в,

' 1 - V, 2'1 " . -

где» - I - А_, 0 я I. — Т - с. - коэффициенты поглощения ледника.

с •. с - 1" . -

и терморегулир^юдей пленки, п[„, - массовая скорость таяния,

'X ц = ( 0ге^ + ЦСОпУ)/% - параметр конвективно-терморЕШиацион-

.' кого нагрег-а,

. Рсо-и =В < Л "Т > ' ' >•

У'-.чтанное соотношение получено в рамках теплового баланса на пск-рхкссти ралг^чного,' например, полиэтиленовой 'пленкой .теаника • бея учета теплопрлводнсс^к. Для умеренно теплых ледников с температурой псоеркноет»! 0°С предетагленние оценки лодтегрждакУгся •>:<слсрлКс^ггаъныщ Измерениями, выавхненнихм на ледикцг Абрамова

г

-I

Flic. Л. Эффективность поверхностного тылнил лад-пика, укрытого полупрозрыч-ной пленкой с коэффициентом пропускания 1^ по сравнении с чернил' покрытием rf~ 0; Ач» 30% (кривая I), Г>0;о (?.), ibfo (3); ()b«=375 Вт/м2, Т^ = -I0°C, ts = ОД.

О 0.5 1.0

на Памире. На рно.4 почаэана эффективность поверхностного таи-вин, укрытого полиэтиленовой пленкой, по сравнению с вариантом нанесения черного покрытия типа угольного порошка, золы, использование которых было отвергнуто из-за слишком больших расходов поглощающего солнечное излучение вещества, а такда недопустимых норм загрязнения в высокогорных районах;

Анализ механизма подповерхностного таяния показывает, что для достаточно светлых ледников с А^бО/о существует верх-»illй предел значений коэффициентов пропускания пленки, при котором в зависимости от температуры атмосферы энергетически вмгодьо ее использование. И наоборот для ледников о альбедо Аг>440% терморег'улирую'дая пленка может играть роль тепло-изолятора, т.к. дополнительный нагрев ледника за счет экранировки пленкой ИК-излучення подстилающей поверхности не компенсирует потери лучистого тепла чз-зя «алой доли пропущенного пленкой потока солнечного излучения. Далее псказгша эффективность использования перфорированных пленок в этих же условиях.

В четвертой главе рассмотрено практическое применение методов лучистого нагрева и охлаждения, перспективы внедрения плп релония различных задач. Эффективность воздействия терморегулирут-

щего покрытия на режим таяния ледников существенно возрастает: в 2+3 раза при использованиям перфорированных пленок с отверстиями диаметром 1*2 см и шагом перфорации 2+4 см. Образующийся столбчатый микрорельеф обеспечивает дополнительное поглощение рассеяной солнечной и теплотой радиации. Кроме того вта ивание в. ледник способствует закреплению перфорированной пленки, а сами ледянке столбики в дальнейшем быстро ломаются и стаивают. По завершении процесса терморегулирующее покрытие сворачивается и может быть вновь использовано. Разработанные варианты подобных пленочных покрытий были опробованы в Антарктиде В практическом плане получение 1+2 кубических километров воды, например, для среднеазиатского региона потребует искусственноп растапливания ледников 0,02% по объему в год. Эта цифра предста: ляется разумной, так как циклические колебания интегральных характеристик горных оледенений даже б 5-10 летних периодах значите; но превосходят указанные величины предполагаемого искусственноп изгягия указанного объема льда.

Сохранение окружавшей среды в районах вечной мерзлоты требует решения других задач - воспрепятствовать разморажипанию грунта. Инженерная подготовка освасваемых территорий состоит в тем, что область "жестких" отрицательных температур грунта Т-£-5°( располагалась на возможно больших глубинах. Расчетные оценки показали с одной стороны эффективность применения поверхностного сильноизлучаюшого слоя с малым коэффициентом теплопроводности Вт/(м-К) и толщиной см, а с другой стороны необ-

ходимость нанесения на поверхность грунта ещё дополнительного высокотеплопроводного слоя вещества с /^2^2 Вт/(м К), х'0=15+25см. Подобное двухслойное покрытие обеспечивает охлакдение грунта на глубину 1+2 м и понижение температуры на 2+4 градуса по сравнению с вариантом охлаждения грунта с открытой поверхностью при температуре окружающей среды Тд = -30°С в период до ХСО суток. При коротком времен:; воздействия охлаждающего импульса эта разница возрастает. Згдача решалась с учетом поверхностного выхолаживания за счет конгектирнога и терморадиационного длинноволнового потоков для слоя грунта толщиной 10 м при начальной температуре -2°С. Для создания охлакдаюшего двухслойного покрыта могут быть использогони доступные материалы типа котельного шлака и металлических стружек.

В данной главе рассмотрены экологические аспекты прнмене ння п^эсдлагаеных те-хиИческ;:х решен:!;!.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДД ПО ДИССЕРТАЦИИ

1.Проведен критический,анализ существующих исследований гляци-альных образований с точки зрения решения задачи лучистого теп-лопереноса в полупрозрачных материалах с позиций оптики рассеивающих сред.

2.Разработаны оптико-теплофизические модели наиболее распространенных типов снега, фирна и льда.

3.Уточнены определения и номенклатура оптических характеристик снега и льда, расчитаны и уточнены некоторые оптические' парамет-

Решена нестационарная краевая задача по определению параметров Теплового режйма многослойных снежно-ледяных толщ (СЛТ) в условиях объемного коротковолнового радиационного прогрева при переменной внешней тепловой нагрузке - потока солнечного излучения и температуры окружавшей среды.

5.Подтверждена расчетным путем возможность подповерхностного таяния в среторассеиваюших СЖ1 при интенсивной инсоляции ледников и низкой температуре воздуха.

6.Получены расчетные оценки температурных распределений и компонент теплового баланса гляциальных образований для антарктических снежных и ледяных полей в летний период.

7.Разработано и опробовано терморегулирушее покрытие на осно- • ве полупрозрачных перфорированных пленок, обеспечивающих усиление таяния и абляции ледников в высокогорных районах.

8.Разработано и предложено для промышленного внедрения термо-' регулирующее двухслойное покрытие для охлаждения грунтов в зимний период в районах вечной мерзлоты.

9.Рассмотрены экологические аспекты предлагаемых технических' решений.

Рекомендованные в данной работе методы регулирования (управления) теплового режима различного рода покровов, . подверженных внешней лучистой естественной и искусственной тепловой нагрузке,' способствуют выработке как прогноза эволюции соответствующих типов • . оледенений в условиях функционирования промышленных теплоэнергетических объектов, так и уточнешпо допустимых пределов нарушения экологического равновесия в окружающей природной срсцз Основное содержание работы отражено в публикациях.

1.Мерзликин В.Г., Товстопог В.А. Терморадпацпоьные модели, оптически-неоднородных материалов. Тр. МВТУ им. Н.Баумана, т.21, 1980, с.56-57.

2.Красс М.С., Мерзликин В. Г. Изобретение rio заявке $ 4285779

1.8

''¡1 лс^ытие для рнстап««в*и»;я лнднякои". Нолол'.итолыгоо реианио о модние авторского свидетельства о приоритетом от 1С.07.(37. 1ЫИ моушшки ШУ, д.11/13, 1907 г.

З.Крмсо М.С., Мпраликин В.Г. Теория радиациопко-копдуктисниго механизма нпгрова снега и льда. МГЦ, вил.62,1960, с.27-43. А.Крн^с М.С. .Мерзлнкин В,Г. Заявка № 4';"917Й6/33 на нзсбретеиин

охлаждения грунта" с прпоротетом от 14.02.90. Г>.Красе. М.С. ,Иору)'иьчп1 В.Г'. Радиационная ччшл'лТч.шка сштя и .4-.ua. Л. Ги.щ",]мет"оиздат, 10 п. я., 1900 г.

Поднимали » печать II.См.У Сдано ь чро.'зиодстно 13,(О.'Л!

Фсршт бум, и!Ьумага ь'иок.

.''ол.н.л. Уч.-изд.л. .1 ,и

'лка.* ,07 1 и ¿¡¿л; 100 ''.есакатю

П7Ц-.>, Москма, у.и.А-И'сгая,-