Введение к работе
Объект исследования и актуальность темы.
Конвекция и вращение в той или иной степени присутствуют на всех жидких или газообразных космических объектах (галактиках, звездах), а также на твердых планетах, обладающих жидкими и/или газообразными оболочками. Сочетание конвекции и вращения приводит к отклонению средних полей скорости от твердотельного вращения в радиальном и меридиональном направлении, или к возникновению дифференциального вращения (ДВ). ДВ оказывает огромное влияние на эволюцию космических объектов, формирование климата на планетах, является причиной возникновения локальных особенностей течений. Наличие ДВ в электропроводных оболочках планет, звезд, галактик играет важную роль в генерации магнитных полей этих космических тел.
Глобальные конвективные ячейки перемещают огромные массы атмосферных газов относительно поверхности планеты, возникающий при этом обмен моментом импульса между атмосферой и планетой приводит к изменению интегрального момента импульса атмосферы, или суперротации, и к соответствующему изменению интегрального момента импульса планеты.
Атмосферные вихри, такие как циклоны, антициклоны, тайфуны имеют меньший масштаб, но оказывают огромное влияние на формирование погоды. Изменение интегральных характеристик атмосферы сопровождается возникновением локальных особенностей структуры течения. Так в пограничном слое атмосферы Земли возникают спиральные горизонтальные валы (роллы), аналогичные структуры наблюдаются также в нижнем слое тайфунов. Таким образом, актуально изучение как интегральных характеристик конвективных потоков во вращающихся слоях, так и локальной структуры течений.
Экспериментальные исследования особенностей конвекции во вращающихся системах проводят обычно в цилиндрических и кольцевых сосудах. В такой геометрии удается воспроизвести элементы глобальной циркуляции, отдельные зональные ячейки, характерные для атмосферы, крупномасштабные вихри и изучить влияние вращения на локальную структуру турбулентного конвективного течения. В то же время, практически нет измерений, касающихся интегральных характеристик конвективных течений. По-видимому, это связано с тем, что до последнего времени оставались проблематичными полевые измерения скорости в больших объемах. Развитие
цифровых методов восстановления полей скорости открывает большие перспективы для экспериментальных исследований как глобальной, так и локальной структуры потока.
Целью работы является экспериментальное исследование конвекции в тонком вращающемся слое жидкости с помощью полевых методов измерения скорости, а именно:
1) проведение сравнительного исследования интегральных характеристик
и локальной структуры дифференциального вращения при прямой и обратной
меридиональной циркуляции;
2) изучение структуры и интегральных характеристик
крупномасштабного вихря над локализованным источником тепла;
3) изучение локальной структуры течения в потоке жидкости,
натекающем на горячую поверхность.
Научная новизна. В диссертационном исследовании получены следующие новые результаты:
- экспериментально восстановлены полные поля скорости конвективных течений в тонких слоях вращающейся жидкости;
-проведено сравнительное исследование интегральных характеристик возникающих в слое меридиональной и азимутальной циркуляции (общего момента импульса, энергии циклонической и антициклонической циркуляции, средних значений градиентов скорости и др.);
-исследована структура и интегральные характеристики крупномасштабного вихря над локализованным источником тепла; обнаружены конвективные структуры с различной симметрией относительно оси вращения.
-исследованы вторичные вихревые структуры в потоке жидкости, натекающем на горячую поверхность; показано, что количественные характеристики этих структур зависят от параметров температурного погранслоя, возникающего над горячей поверхностью.
Научная и практическая ценность
Результаты исследования зависимости структуры и интегральных характеристик дифференциального вращения слоев жидкости с разными видами меридиональной циркуляции важны для понимания процессов, связанных с циркуляцией вещества в атмосферах планет, жидких оболочках звезд и планет. Результаты, полученные в ходе исследования циклонического вихря от локализованного источника тепла во вращающемся слое жидкости важны для понимания физических механизмов генерации крупномасштабных
геофизических вихрей, могут применяться для реализации численных и теоретических исследований процессов формирования крупномасштабных атмосферных вихрей, образования конвективных течений в местах крупных пожаров и городов. Исследование процессов, происходящих в жидкости при натекании на горячую поверхность, могут быть использованы для лучшего понимания процессов тепломассообмена, происходящих в пограничном слое атмосферы, в бризовых потоках на границе суши и моря, в районах соприкосновения различных по температуре атмосферных фронтов, а также в пограничном слое тайфунов.
Работа выполнялась в рамках госбюджетных тем: «Эволюция турбулентных потоков проводящей и непроводящей жидкости под действием вихревых и спиральных сил» (№ гос. регистрации 01.200.117926); «Взаимодействие мелкомасштабной турбулентности и крупномасштабных полей в течениях проводящей и непроводящей жидкости» ( № гос.рег. 01.2.00700735), проектов РФФИ 01-05-64232, РФФИ 04-05-64315, РФФИ-Урал № 04-01-96005, РФФИ-НЦНИ 07-01-92160.
Апробация работы. Основные результаты, приводимые в диссертации, докладывались и обсуждались: на международной конференции МСС-04 «Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность», Москва, 2004.; на международной конференции «Tenth European Turbulence Conference», Тронхейм, Норвегия, 2004; на Четвертой Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)», Москва, 2004; на конференции молодых ученых по механике сплошных сред, посвященной 80-летию со дня рождения А.А. Поздеева «Поздеевские чтения» Пермь, 2006; на международной конференции «Turbulence, Heat and Mass Transfer 5», Хорватия, Дубровник, 2006; на Всероссийских конференциях молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах», Пермь, 2004, 2005 и 2007; на Четырнадцатой зимней школе по механике сплошных сред, Пермь, 2005; на международной конференции «Perm Dynamo Days, International Workshop», Пермь, 2005; на 14-ой и 16-ой Всероссийских конференциях молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 2005 и 2007; на IX Всероссийском съезде по механике, Н. Новгород, 2006; на международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях», С.-Петербург, 2007; на конференции молодых ученых "Численные методы в математике и механике", Ижевск, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ [1-Ю].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 87 наименований. В работе приводится 52 рисунка и 3 таблицы. Общий объем диссертации составляет 158 страниц.
