Исследование затухания волн на поверхности турбулизованной жидкости:
новые эффекты

Развитие и совершенствование методов дистанционного, в том числе радиолокационного, зондирования океана обусловлено возможностью корректной интерпретации данных различных диапазонов спектра электромагнитного излучения, что, в свою очередь, требует изучения динамики ветрового волнения в присутствии различных океанических процессов (Лаврова и др., 2016). Одним из таких процессов, влияние которого на мелкомасштабное ветровое волнение на данный момент изучено не в полной мере, является приповерхностная турбулентность. Описанные в литературе механизмы гашения поверхностных волн турбулентностью не позволяют сделать однозначного вывода об эффективности того или иного из них, поэтому для построения моделей затухания волн на турбулентности особое значение имеет экспериментальное моделирование.
Имеющиеся лабораторные исследования характеризуются существенными различиями в постановке эксперимента. Основными недостатками предложенных ранее в литературе исследований являются влияние нелинейных эффектов на динамику гравитационно-капиллярных волн (ГКВ) и влияние средних течений, генерируемых механическими волнопродукторами, которые маскируют эффект гашения волн непосредственно турбулентностью.
В настоящей работе использован предложенный ранее метод исследования затухания волны на турбулентности, в значительной степени лишенный указанных недостатков (Ермаков и др., 2014). Метод основан на одновременном создании независимых поверхностных волн и турбулентности в кювете, которая вертикально колеблется в двухчастотном режиме так, что колебания малой амплитуды и высокой частоты служат для возбуждения волн, а колебания большой амплитуды и относительно низкой частоты – для генерации турбулентности неподвижной решеткой. Отсутствие механического волнопродуктора и близость размера решетки к размерам дна кюветы позволили уменьшить скорости средних течений, а исследование волн на пороге возбуждения позволило обоснованно пренебречь влиянием нелинейных эффектов в динамике ГКВ.
Описанный метод позволил провести серию экспериментов по измерению зависимости коэффициента затухания ГКВ от их частоты при двух интенсивностях турбулентности в широком диапазоне частот. Полученные результаты были проанализированы в рамках модели турбулентной вязкости, на основе этого параметра было проведено сравнение полученных результатов с описанными в литературе. Использование предложенной методики сделало возможным расширить диапазон длин поверхностных волн настолько, чтобы исследовать случай, когда длина поверхностной волны сопоставима с масштабом турбулентности (случай, не описанный в литературе). Это позволило получить новую особенность поведения коэффициента турбулентной вязкости в процессах взаимодействия турбулентности и поверхностной волны. Было показано, что поведение коэффициента турбулентной вязкости характеризуется наличием максимума частотной зависимости для обеих интенсивностей турбулентности. При этом максимум турбулентной вязкости наблюдается вблизи длины поверхностной волны, соответствующей интегральному масштабу турбулентности, а величина максимума коэффициента турбулентной вязкости пропорциональна скорости турбулентных пульсаций.
Полученные результаты могут быть использованы для оценки затухания поверхностных волн на фоновой турбулентности в условиях реального морского волнения.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 18-77-10066).