PLET AERODINAMIKA Az atmoszfrikus hatrrteg jellemzi II 1

ÉPÜLET AERODINAMIKA Az atmoszférikus határréteg jellemzői II. 1 Balogh Miklós, 2009 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG SZERKEZETE 2

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG SZERKEZETE 3

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG • • hajtóerő: szabad légkör, geosztrófikus és gradiens szél (pár 100 m-2 km) földfelszín: tapadás törvénye hőmérsékletkülönbségből eredő konvekció jellege erősen függ a felszín érdességétől és a domborzattól, amelyek turbulenciát visznek be az áramlásba • vastagsága, jellege időben is változik (napi menete van – időskála ≤ 1 nap) • 3 D jelleg – w nem elhanyagolható 4

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG SZERKEZETE 5

A TURBULENCIA • Valódi szélmérések: nagyon sok frekvencia keveréke • Különböző skálájú hullámok / örvények áthaladásának jele • Max. frekvencia: néhány Hz (T = 0. 1 s) ► Spektrális analízis szükséges 6

A VÁLTOZÓ SZÉL REYNOLDS - FÉLE LEÍRÁSA Általánosan, t időpillanatban, r helyen: Átlagsebesség: w(r, t) V(r, t) Hasonló módon a másik két komponensre is: Sebességingadozás: Hasonló módon a másik két komponensre is: 7 v(r, t) u(r, t)

A VÁLTOZÓ SZÉL REYNOLDS - FÉLE LEÍRÁSA Legyen i || az áramlás (átlagsebesség) irányával: k i j Az ingadozó sebességkomponensek időbeli átlaga: 8

A VÁLTOZÓ SZÉL REYNOLDS - FÉLE LEÍRÁSA A sebesség négyzetének átlaga: RMS = négyzetes középérték (root mean square, effektív érték) Az ingadozó komponens négyzetes középértéke = a sebesség szórása 9

A TURBULENS KINETIKUS ENERGIA Elemi tömeg pillanatnyi mozgási (kinetikus) energiája: Átlagos mozgási energiája: Átlagáramlás mozgási energiája: 10 Turbulens ingadozások energiája (turbulens kinetikus energia, TKE): A teljes mozgási energia nagyobb, mint az átlagáramlás mozgási energiája!

A KINETIKUS ENERGIASPEKTRUM Átlag szél évszakok Légköri turbulencia Időjárás ciklonok frontok nappal/éjszaka • Az egyes skálák milyen részben járulnak hozzá a kialakuló szélhez 11 • A jobboldali rész fontos az atmoszférikus határréteg leírásánál

A TURBULENS KINETIKUS ENERGIA SPEKTRUM Big whorls have little whorls That feed on their velocity, And little whorls have lesser whorls And so on to viscosity. (Lewis F. Richardson*, 1922) A nagy örvény kisebbet plántál, Melyet sebességével táplál, Majd az még kisebbet szülvén, Viszkozitásba tűnik szürkén. (Balogh Miklós, 2009) 12 *Angol matematikus, fizikus, meteorológus (1881 -1953), a numerikus időjáráselőrejelzés megálmodója

A TURBULENS KINETIKUS ENERGIA SPEKTRUM Impulzusátadás a főáramlásból: turbulencia elemek a nyírófeszültség következtében energiát vesznek fel a főáramlásból 13 Tehetetlenségi tartomány: a nagyobb elemek energiája fokozatosan adódik át a kisebbekre Molekuláris disszipáció: kisméretű elemek (örvények) a súrlódás következtében hővé alakulnak

MIKROMETEOROLÓGIAI SPEKTRUMOK 14 Forrás: Yu et al (2008): Hurricane. Wind Power Spectra, Cospectra, and Integral Length Scales

A LOGARITMIKUS HATÁRRÉTEGPROFIL • Turbulens impulzuscsere a rétegek között • A csúsztatófeszültség: • A felszíni rétegben állandó t u* - súrlódási sebesség 15 • K-elmélet: az átlag áramlás gradiensével arányos csúsztatófeszültség • Az örvények plusz viszkozitást okoznak (turbulens viszkozitás) • KM nem állandó, a meghatározásához ún. turbulenciamodellekre van szükség Egyszerű feltételezés: a faltávolsággal nő k – Kármán-konstans = 0. 41

A LOGARITMIKUS HATÁRRÉTEGPROFIL z 0 - érdességhossz d 0 – eltolási magasság (ha az egész határréteg megemelkedik • A metszés adja d 0+ ln z 0 -t 16

SEBESSÉGPROFILOK A HATÁRRÉTEGBEN Tapasztalati hatványfüggvény • A szélmérések átszámítása 10 m-re egy hatványfüggvénnyel történik z 0=0. 1, a=0. 185 17

SEBESSÉGPROFILOK A HATÁRRÉTEGBEN • szélcsatornában előállított hatványfüggvény profil 18

SEBESSÉGPROFILOK A HATÁRRÉTEGBEN 19

FELSZÍN PARAMÉTEREK Forrás: http: //www. gi. alaska. edu/~heik e/Barrow 2005/h_charging. ADV. jp g 20 Forrás: http: //earthobservatory. nasa. gov/ Laboratory/Biome/Images/picgras sland. jpg Forrás: http: //www. aerometrex. com. au/Ad elaide. Metro/Suburban_Adelaide. jpg Forrás: http: //www. usatravel. hu/fckep/Image /Missouri/. thumb_Kansas_City. jpg Érdességi osztály Kismértékben érdes Közepesen érdes Érdes Kiemelten érdes Felület típusa Jég, hó, vízfelület Mező, rét, mezőgazdasági terület Park, elővárosi terület Erdő, nagyvárosi terület z 0 [m] 10 -5 – 5 10 -3 – 10 -1 0. 1 – 0. 5 - 2 a [-] 0. 08 – 0. 12 – 0. 18 – 0. 24 – 0. 4 0 0 0. 75 h d 0 [m]

TURBULENCIA INTENZITÁS ELOSZLÁS AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEGBEN 21 Anizotróp turbulencia

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG PARAMÉTEREI 22

MIKROMETEOROLÓGIAI SPEKTRUMOK 23

HOSSZLÉPTÉK ELOSZLÁS AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEGBEN 24

SZÉLELFORDULÁS A MAGASSÁGGAL, EKMAN-SPIRÁL, EKMAN-RÉTEG Geosztrófikus szél, Coriolis és nyomáserő egyensúlya || izobárokkal • Súrlódás megjelenik V < Vg • Coriolis-erő kisebb lesz szél a nyomásgradiens felé fordul • Max. 45° elfordulás Mozgásegyenletek súrlódással: X irány: Y irány: 25

EKMAN-SPIRÁL, HATÁRRÉTEG FELOSZTÁSA felszíni réteg (Prandtl-réteg) 26

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG SZERKEZETE 27

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG SZERKEZETE 28

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG SZERKEZETE 29

Köszönöm a figyelmet!