Экспериментальные  исследования  одномерного  промораживания  слоя  воды.  Окончание

   На основании полученных данных, а также визуальных наблюдений в течение всего времени проведения опыта можно отметить следующие результаты эксперимента.
   В процессе изменения температурного режима воды при замерзании можно выделить три характерных периода: 1 – до образования первичного слоя льда; 2 – с момента образования устойчивого ледяного покрова до толщины слоя льда 12,0 см; 3 – формирование основной массы льда при дальнейшем увеличении толщины ледяного покрова до полного промораживания слоя воды.
   В первый период температурный режим воды и слоя воздуха над поверхностью до образования ледяного покрова изменялся следующим образом:
   - при охлаждении воды до qw = 4,0°С (температура максимальной плотности воды) возникающие конвективные токи способствуют выравниванию температуры. Охлажденные слои, как более плотные, уходят вглубь, их место занимают теплые (и менее плотные), которые, в свою очередь, охлаждаются. Устанавливается циркуляционный процесс. При дальнейшем остывании плотность поверхностного слоя становится меньше, чем у остальной массы воды, циркуляция прекращается. Тепловая конвекция в воде происходила до тех пор, пока средняя по глубине температура воды не достигла qmw = 4,0°С. Затем конвективный обмен прекращается, и происходит монотонное понижение температуры. При этом охлаждение глубинных слоев осуществляется с помощью кондуктивной теплопроводности, существенно более медленного процесса, чем конвективный теплоперенос;
   - до образования ледяного покрова вода оказывала отепляющее воздействие на слой воздуха, расположенный над ее поверхностью, чем ближе к поверхности воды находится слой воздуха, тем больше сказывается отепляющее воздействие воды;
   - при первичном льдообразовании наблюдалось переохлаждение поверхностного слоя воды до qw = -3,2°C. В этом слое происходит образование первичных иглообразных кристаллов, при дальнейшем смерзании которых образуется сплошная корка льда. Средняя по глубине температура воды, соответствующая первичному льдообразованию, была положительна и составила qmw = 0,6°C;
   - существенное влияние на образование первичного ледяного покрова оказывает теплопроводность металлических стенок емкости. Теплопроводность железа lfe = 73,9 Вт / м°С много больше теплопроводности воды lw = 0,55 Вт / м°С. Вследствие этого, вблизи стенок охлаждение происходит более интенсивно и лед появляется раньше, чем в средней части. Поэтому образование поверхностного льда распространялось от стенок емкости к центру.
   Второй характерный период изменения температурного режима воды при промерзании начинается с устойчивого образования ледяного покрова:
   - в слое льда наибольшие температурные колебания происходили на его поверхности, где лед имеет температуру, близкую к температуре воздуха. Температура поверхности льда следует за суточным изменением температуры воздуха с некоторым запозданием, зависящим от тепловых свойств льда. На суточном изменении температуры поверхностного слоя льда сказывается влияние конвективного теплообмена, теплота испарения и конденсации, тепловые потоки внутри ледяного покрова. Температура на подошве льда близка к температуре замерзания воды. При увеличении толщины льда разница температуры между верхней и нижней поверхностью льда растет;
   - по мере увеличения толщины льда происходило выравнивание температуры незамерзшей воды по глубине.
   После того, как толщина льда достигла значения hi = 12,0 см, наступил третий период изменения температурного режима воды при промерзании.
   Здесь температурные изменения носят монотонный характер. Температура верхнего слоя льда приближается к температуре воздуха. Температура льда у подошвы сохраняется приблизительно постоянной и соответствует температуре замерзания воды, находясь в пределах от qi = -0,1 °С до qi = 0,0 °С.
   Процесс нарастания толщины льда в течение всего периода замерзания характеризовался достаточно стабильным увеличением и составлял в среднем D = 2,0 см/сутки. При проведении данного эксперимента слой воды толщиной hw = 45,0 см полностью промерз за 25 суток.
   Суммарное нарастание толщины ледяного покрова можно с практической точностью прогнозировать по температуре наружного воздуха с помощью формулы
  
   hi = (2li qma t/(ri L))1/2,
  
   где hi – толщина льда, li – коэффициент теплопроводности льда, qma – средняя температура воздуха, t – время замерзания, ri – плотность льда, L – скрытая теплота плавления.
   При наличии температурных данных о ледяном покрове (значения температур поверхности и подошвы льда qi) нарастание толщины льда определяется следующим образом:
  
   hi = (Et 2li/(ri L))1/2,
  
   где Et = т qidt – экспозиция замерзания (градусо-часы).
   Основным показателем, определяющим рост льда, является продолжительность отрицательных температур воздуха. Чем больше эта величина, тем больше при прочих равных условиях толщина льда. Это одно из основных условий, определяющих развитие ледяного покрова.
  
   Библиографический список:
   1. Гречищев С.Е., Куздров С.С., Ягупов В.Я. Боковое давление при кристаллизации льда
   в открытой системе//Криогенные физико-геологические процессы и методы изучения
   их развития. – М.: ВСЕГИНГЕО, 1987. –
   С.29–32.
   2. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. – М.: Высшая школа, 1973. – 445 с.

  Р.В. БУБЕЛО

  По материалам журнала "Противокражные системы материалы, оборудование, технологии XXI века"