| Аннотация |
Фундаментальные задачи гео- и астрофизической гидродинамики во многом строятся на исследовании вращающихся жидкостей. Благодаря вращению, и, связанному с ним, действию силы Кориолиса, становится возможным существование инерционных волн, которые широко распространены в океанах и жидких недрах планетарных тел. Известно, что распространение этих волн может сопровождаться генерацией сильных осреднённых течений, а также каскадными процессами за счет триадных взаимодействий и переходом к волновой турбулентности. Таким образом, с прикладной точки зрения инерционные волны являются перспективным инструментом для создания управляемого перемешивания. Подобные задачи часто возникают в химической, фармацевтической и других промышленных отраслях, когда необходимо получить продукты с однородным распределением физических свойств. Целью настоящего проекта является комплексное экспериментальное решение широкого круга фундаментальных задач, которые лягут в основу разработки инерционно-волновых методов управления тепло- и массопереносом. В проекте развитие получат четыре больших направления.
I. Экспериментальное исследование динамики инерционных волн во вращающихся сферических полостях с осциллирующим ядром. Интерес представляет трехмерная структура волн в резонансных режимах, связанных с фокусировкой волн в аттрактор или возбуждением инерционных мод. Именно в этих режимах ожидается наиболее богатая нелинейная динамика. Исследования будут проведены для различных соотношений радиуса ядра к радиусу полости, в том числе при 1/3, что является актуальным с геофизической точки зрения. Одной из важных задач в рамках данного направления будет исследование влияния инерционных волн на устойчивость зонального течения. В области высоких чисел Рейнольдса ожидается пороговое развитие азимутально-периодических вихревых структур, которые могут использоваться для интенсификации перемешивания жидкостей во вращающихся полостях.
II. Взаимодействие инерционных волн со сдвиговым течением и границей слоя. В рамках данного направления планируется исследование влияния дифференциального вращения жидкости на динамику инерционных волн в цилиндрической геометрии. Планируется рассмотрение как опережающих, так и отстающих по фазе волн относительно вращения всей системы. Ожидается, что дифференциальное вращение жидкости внесет корректировки в дисперсионное соотношение для инерционных волн, что должно проявиться в отклонении групповой скорости от прямолинейного направления, аналогично эффекту Доплеровского смещения.
III. Влияние инерционных волн на тепло-массоперенос. Интерес представляет осложняющее действие инерционных волн на тепловую конвекцию во вращающемся цилиндрическом слое, границы которого поддерживаются при разных температурах. Будут изучены пороги конвективной неустойчивости и структура конвективных течений в зависимости от инерционно-волнового режима. Запланированные исследования являются патентнопригодными, т.к. позволяют сформулировать условия бережного эффективного перемешивания жидкости при наличии устойчивой температурной стратификации.
IV. Нелинейные аспекты фокусировки инерционных и внутренних волн. Интерес к данному направлению обусловлен тем, что подводные горные хребты генерируют сходящиеся внутренние волны с интенсивным вертикальным перемешиванием жидкости в зоне фокусировки. В лабораторном эксперименте для моделирования волн, генерируемых колебаниями приливного течения над искривлённым горным хребтом, будет использоваться осциллирующий тор или его сегмент, погруженный в линейно-стратифицированную жидкость, находящуюся в покое или при наличии вращения. Планируется исследование эффектов вязкости, а также влияние искривлённости объекта. Особое внимание будет уделено эффектам обрушения внутренних волн высокой амплитуды и генерации течения в зоне фокусировки. Все запланированные к развитию направления являются новыми и чрезвычайно актуальными как с фундаментальной, так и практической точки зрения
|
