О формировании ИК-изображений поверхности водоемов при заглублении термической конвекции

Приводятся результаты численного моделирования заглубления трехмерной термической конвекции Релея-Бенара, возникающей в верхнем слое водоемов в присутствии ветра при охлаждении поверхности воды из-за испарения и градиентной теплоотдачи в воздух. Основное внимание уделено развитию конвективных структур и связанных с ними паттернов поля температуры, ответственных за формирование ИК-изображений водной поверхности. Рассмотрен случай слабого ветра, при котором сдвиговое дрейфовое течение в воде остается ламинарным. В расчетах учтено присутствие в реальных водоемах стабилизирующего градиента температуры, замедляющего заглубление конвекции.
Вычисления проведены на основе спектрального метода с использованием разложения Фурье по горизонтальным координатам и дискретизации по вертикальному направлению. Уравнения трехмерной гравитационной конвекции представлены в удобном для применения спектрального метода виде. Построены паттерны поля поверхностной температуры при различных числах Рэлея и Рейнольдса. Показано, что при увеличении скорости дрейфового течения (числа Рейнольдса) происходит переход от конвективных ячеек к валам, вытянутым вдоль течения. Соответственно, паттерны поля поверхностной температуры демонстрируют переход от неупорядоченных полигональных ячеек к системе полос с дефектами. Показано, что на вертикальных профилях средней температуры возле поверхности жидкости возникает холодный пограничный слой ("холодная пленка"), а в толще жидкости формируется "плато", ширина которого определяется максимальным размером конвективных вихрей. Характерный масштаб конвективных вихрей и ширина плато монотонно возрастают в процессе заглубления конвекции. Изучено поведение поля продольной скорости среднего течения, толщины холодной пленки и ширины плато в зависимости от числа Рейнольдса и стабилизирующего градиента температуры. Обнаружено, что заглубление конвекции приводит к разрушению полос на изображениях поля поверхностной температуры.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и правительства Нижегородской области(проект 13-05-97056-р_поволжье_а).