Моделирование конвективных структур в присутствии ветра на поверхности открытых водных бассейнов.

В докладе приводятся результаты лабораторного и численного моделирования конвективных структур, возникающих на поверхности открытых водоемов. Конвективные структуры широко наблюдаются при дистанционном зондировании поверхности океанов [1]. Данная работа посвящена анализу формирования конвективных структур в слое хорошо испаряющейся жидкости, когда конвективные структуры образуются в результате охлаждения сверху (вызванного испарением) и трансформируются под влиянием сдвигового течения в слое. Рассматриваемая задача имеет непосредственное отношение к образованию приповерхностного теплового пограничного слоя в океане и атмосфере.
Основное внимание уделяется трансформации конвективных структур: переходу от конвективных ячеек к валам при увеличении скорости сдвигового течения. Данная трансформация наблюдается как в океане, так и в атмосфере при возникновении там течений и ветров [1-3]. Кроме того, она наблюдалась в экспериментах с этанолом [4], когда в результате гравитационно - капиллярной конвекции происходило образование двухмасштабных конвективных структур и наблюдалось их вытяжение при увеличении скорости течения в слое. В данном докладе приводятся результаты лабораторного эксперимента в котором переход ячейки-валы наблюдается дистанционно с помощью тепловизора на поверхности тонкого слоя воды обдуваемого в аэродинамической трубе.
Получены значения скорости потока, при которых происходит вытяжение структур и их трансформация в ролы, вытянутые вдоль потока.
Теоретически переход ячейки-валы изучался в [5] в рамках маломодовых моделей конвективных течений, учитывающих три или пять пространственных гармоник с различными вертикальными профилями, что позволило продемонстрировать переход от гексагональных ячеек к продольным (вытянутым в направлении течения) валам, который происходит с увеличением числа Рейнольдса. Однако, в силу сложности конвективных течений при больших числах Рэлея в лабораторных экспериментах и натурных условиях [2-4], они не может быть адекватно описаны в рамках маломодовых моделей. В связи с этим в [6] моделирование перехода ячейки-валы в мезомасштабной конвекции в атмосфере проводилось на основе прямого численного моделирования уравнений трехмерной конвекции с помощью псевдо-спектрального метода. В данной работе этот метод применяется для изучения перехода ячейки-валы в трехмерной термо-гравитационной конвекции в тонком слое воды. Показано, что численное моделирование позволяет проанализировать основные особенности перехода ячейки-валы, которые наблюдались в лабораторном эксперименте и натурных условиях, а именно: удлинение ячеек в направлении потока и формирование топологических дефектов в квази-периодической системы валов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 11-01-97026-р_поволжье_а)
1.Фёдоров К.Н., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, 304p.
2.Митягина М.И., Лавpова О.Ю., Бочаpова Т.Ю. Наблюдение подветpенных волн и вихpевых стpуктуp за пpиpодными пpепятствиями в атмосфеpе пpи помощи pадиолокационного зондиpования моpской повеpхности. Исследования Земли из космоса, 2004. № 5. С. 44–50.
3.Пичугин М. К., Митник Л.М. Холодные вторжения над Беринговым морем: спутниковый мультисенсорный анализ. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Сборник научных статей. Москва, 2009. Вып.6, т.2, с. 172-179.
4.V. Reutov, G. Rybushkina, and A.S. Pavlychev. Turbulence, Heat and Mass Transfer, 6, 2009, 93-96.
5.V. Reutov, A. Ezersky, G. Rybushkina, and V. Chernov, J. Appl. Mech. Tech. Phys, 2007, 48(4), 469-478.
6.Реутов В.П., Рыбушкина Г.В. Исследование перехода ячейки- валы в модели сухой мезомасштабной атмосферной конвекции в присутствии ветра. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Тезисы докладов. Москва, 2011.