Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальным лабораторным исследованиям динамики стратифицированных течений, возникающих при свободных и вынужденных осцилляцияхтел. Актуальность темы
История исследования свободных и вынужденных движений тел и индуцируемых ими течений жидкости весьма продолжительна. Задачи свободного падения и осцилляции шаров привлекали внимание таких ученых, как Галилео Галилей, Исаак Ньютон, П.-С. Лаплас, А. Ампер, Ч.А. Кулон, Д.И. Менделеев, Л. Прандтль, Ж. Эйфель и др. В середине 20 века начались исследования колебаний тел, плотность которых близка к плотности среды, применительно к динамике заякоренных и свободно дрейфующих поплавков в океане, аэростатов и дирижаблей в воздухе, навигации подводных аппаратов. Двумерная задача о колебаниях поплавков специальной формы на границе раздела двух идеальных жидкостей была решена Л.Н. Сретенским (1937). Развитая методика легла в основу расчетов колебаний поплавков специальной формы [Нестеров и др., 1988], которые одновременно изучались экспериментально [Пыльнев и Разуме-енко, 1991]. Однако в эксперименте не изучалось движение жидкости. Рассчитанные характеристики движений тела в приближении идеальной жидкости в монографии [Бреховских и Гончаров, 1982] и работах [Larsen, 1969; Lai, 1981] не согласуются между собой. Интерес к задаче стимулировала разработка автономных инструментов для изучения распространения звука (программа "СОФАР") и структуры глубоководных течений в океане (проект "АРГО"). Результаты полунатурных измерений движений поплавков (морские поплавки бросались в глубоководные озера) только частично подтвердили предварительные оценки [Munk, 1979].
Реальная картина обтекания поплавков является достаточно сложной, в ней присутствуют волны, вихри, спутный след, а в последние годы были визуализированы и достаточно энергичные, но короткоживущие автокумулятивные струи. Протяженные струи наблюдались при ос-цилляциях шаров нейтральной плавучести вне границ горизонтов осцилляции тела. [Левицкий и Чашечкин, 1999-2003]. Природа их образования остается неизученной.
'PejgrcfJR'UWfiHftl ?. ffЩр не пРед" БИБЛИОТЕКА С-Петербург
ОЭ 300 акт^9У
Внутренние волны в непрерывно стратифицированных средах выделяются их из класса более хорошо изученных вследствие анизотропии и сложного закона дисперсии. Математические проблемы теории внутренних волн полностью не разрешены даже в линейном приближении. В последние годы, наряду с волнами, стали изучаться сингулярные элементы, включающие пограничные слои на контактных поверхностях. Практический интерес представляет изучение возможности визуализации тонкоструктурных элементов в толще жидкости, возможность существования которых установлена в современных теоретических моделях (Кистович, Васильев и др. 2003-2006]. Сингулярные элементы в толще жидкости ранее экспериментально не изучались, как и трансформация картины течения с ростом амплитуды колебаний. Поскольку амплитуду свободных колебаний тел регулировать
ставляется возможным, интерес также представляет исследование картины трехмерных течений, образующихся при вынужденных осцилляцнях тел. Дсль работы. Целью работы является
Экспериментальное исследование механизма формирования тонких структур течений, возникающих при вынужденных и свободных высокоамплитудных колебаниях тел различной формы в непрерывно стратифицированной жидкости.
Изучение влияния формы тела на тонкую структуру трехмерных периодических течений. Сравнение рассчитанных и наблюдаемых траекторий движения шаров нейтральной плавучести в непрерывно стратифицированной жидкости. Методы исследований.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторном бассейне оптическими и контактными методами. Контактными методами измерялись параметры стратификации и поля образующихся внутренних волн. Оптические исследования проводились высокоточным интерференционно-теневым прибором, сопряженным с высокоразрешающей фото- и видеоаппаратурой. Полученные фото и видео материалы вводились и обрабатывались на персональном компьютере при помощи специализированного программного обеспечения. Научная новизна.
В работе впервые получены следующие результаты.
Создана интегрированная методика высокоразрешающих оптических и контактных измерений, позволяющая вести одновременную регистрацию макро и микромасштабных структурных элементов течений, образующихся при свободных и вынужденных осцилляцнях тел различной формы в непрерывно стратифицированных средах. В широком диапазоне параметров задачи (высот свободного падения, периодов плавучести, размеров и формы тел нейтральной плавучести) проведены визуализация структуры течений и детальные траекторные измерения.
Впервые выделены тонкие элементы трехмерных течений, образующиеся при свободных и вынужденных высокоамплитудных колебаниях тел в непрерывно стратифицированной жидкости в окрестности передней и задней точек торможения.
На боковой поверхности осциллирующих цилиндров с плоскими торцами впервые визуализированы кольцевые полосчатые структуры.
Установлена адекватность уточненной теоретической модели колебаний тел на основе уравнений внутренних волн и экспериментально определено значение характеристического коэффициента.
Достоверность полученных результатов обоснована полнотой методики экспериментов, объединяющей контактные и оптические методы; воспроизводимостью наблюдаемых течений при различных методах визуализации; согласием полученных данных с независимо выполнен-
ными теоретическими расчетами и ранее проведенными экспериментами в диапазоне совпадения параметров.
Научная и практическая значимость.
Работа выполнялась в рамках плановых тем н проектов, входящих в Межсекционную программу ОЭММПУ РАН "Динамика и акустика неоднородных жидкостей, газожидкостных систем и суспензий"; Федеральную целевую программу "Мировой океан" (по контрактам с Минпромнауки России и Мннобрнауки России); в Федеральную целевую программу "Интеграция" (по контракту с Минобразования России, грант Я0058); РФФИ (грант 05-05-64090, 05-01-00154); заказам ЗАО "Гранит-7" и ФГУП "ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова".
Полученные экспериментальные результаты обосновывают необходимость более полных исследований сингулярных элементов течений жидкости и их влияния на перенос энергии и вещества. Данные могут быть использованы при построении и совершенствовании аналитических (линейных и нелинейных) и численных моделей колебаний тел на волнении, распространения волн, переноса тепла и вещества; тестировании программ численного моделирования природных процессов в атмосфере и океане.
Экспериментальная установка и развитые методики используются при проведении спецкурсов и лабораторных работ для студентов Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
На защиту выносятся:
Методика экспериментальных исследований тонкоструктурных элементов и внутренних
волн, образующихся при свободных и вынужденных колебаниях тел различной формы в
непрерывно стратифицированной среде.
Результаты экспериментальных исследований течений и волн, образующихся при свободных колебаниях тел различной формы.
Результаты сравнения данных расчетов траекторий движения тел нейтральной плавучести
и экспериментов.
Визуализация тонкоструктурных элементов течения, образующегося при вынужденных
колебаниях тел и прослеживание эволюции их форм с увеличением амплитуды смещений. Апробация работы:
Основные результаты работы были представлены на Юбилейной всероссийской научной конференции "Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы", Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова (Москва, 2002); международных конференциях "Потоки и структуры в жидкостях" (Санкт-Петербург, 2003), Shallow Flows (Нидерланды, 2003); Генеральной Ассамблее ЕГС (Ницца, 2004); Всероссийской конференции "Новые математические модели в механике сплошных сред: построение и изучение" (Новосибирск, 2004), IV Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (экологическая физика)" (Мо-
сква, 2004); "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости" (Моск. обл., 2004), "Потоки и структуры в жидкостях" (Москва, 2005), Объединенном семинаре "Динамика природных систем" ИПМех РАН и Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006.
Публикации: По результатам работы опубликованы б статен в реферируемых изданиях, тезисы докладов на конференциях, одна статья представлена в печать.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 47 наименований. Общий объем диссертации 115 страниц, включая иллюстрации.
