Лабараторное моделирование крупномасштабных вихревых процессов в тропической атмосфере тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД

На правах рукописи УДК 536.25:532.517.4

Старцев Сергей Евгеньевич

ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВИХРЕВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРОПИЧЕСКОЙ АТМОСФЕРЕ

01.02.05 - Механика жидкостей, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пермь - 1996

Работа выполнена в Институте механики сплошных сред Уральского отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Зимин В.Л.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук.

с.н.с. Шукуров A.M.

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Хрипченко С.Ю.

Ведущая организация: Институт космических исследований

Российской Академии наук (г.Москва).

Защита состоится оч^ре^а 1996г. в часов на

заседании диссертационного совета Д003.60.01 в Институте механики сплошных сред Уральского отделения Российской Академии наук по адресу: 614061, г.Пермь, ул. Ак.Королева. I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской Академии наук.

Автореферат разослан " " /Ч^у*7"^' 1996г. Ученый секретарь

диссертационного совета ^ 4 , /Березин И.К./

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Проблема генерации крупномасштабных структур (КС) в турбулентных средах является чрезвычайно актуальной, о чем свидетельствуют многочисленные публикации отечественных и зарубежных ученых за последнее десятилетие. Эта проблема имеет разнообразные приложения в астро- и геофизике, гидродинамике, физике плазмы. Одним из них является моделирование атмосферы планет, в частности, тропической атмосферы Земли с присущими ей кризисными процессами, такими как тропические циклоны СТЦ) -крупномасштабные долгоживущие вихри аномальной интенсивности.

Целью работы является экспериментальное изучение физических механизмов генерации КС в тонких слоях неустойчиво стратифицированной турбулентной жидкости, где источником турбулентности является конвекция, и попытка объяснить с помощью полученных результатов процесс зарождения и развития ТД.

Научная новизна результатов исследования. Впервые в лабораторных экспериментах исследованы оба известных механизма генерации крупномасштабных структур при трехмерной турбулентной конвекции в тонких слоях жидкости, играющие, по-видимому, решающую роль в процессе формирования ТД: механизм "аномального" переноса тепла в направлении горизонтального градиента осредненной температуры, действующий при низкой теплоотдаче границ слоя, и механизм спирального обратного каскада.

Практическая ценность. Прикладной аспект работы связан с изучением физических механизмов, ответственных за возникновение и развитие ТД в тропической атмосфере Земли. В 1987-1991 гг. исследования по этому направлению велись Институтом механики сплошных сред УрО АН СССР в рамках работ по особо важной тематике "Теоретические исследования, численное и лабораторное моделирование крупномасштабных вихревых процессов в системе океан- атмосфера", а затем по плановым темам "Генерация КС в турбулентных средах" и "Теоретические и лабораторные исследования физических механизмов образования КС при турбулентной конвекции". Результаты, вошедшие в данную диссертацию, получены при выполнении работ по указанным выше темам.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на: - Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" (Юрмала, 14-18 ноября 1988г.);

-IV Международной рабочей группе по нелинейным и -турбулентным

процессам в физике "Нелинейный мир" (Киев. 9-22 октября 1989г.):

- 5 Европейской конференции по жидкому состоянию материи "Исследование турбулентности" (Москва, 16-21 октября 1989г.);

- Пермском гидродинамическом семинаре (руководитель проф. Гершуни Г.З., Пермь, март 1990г.3;

- Международном симпозиуме "Генерация крупномасштабных структур в сплошных средах" (Пермь-Москва. II-20 июня 1990г.3;

-II Советско-Американской конференции по хаосу (Таруса, 6-10 августа 1990г.):

- XVI Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества (Висбаден, 22-26 апреля 1991г.);

-VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Москва, 15-21 августа 1991г.):

-IV Всероссийской школе молодых ученых "Численные методы механики сплошной среды" (Абрау-Дюрсо, 25-31 мая 1992г.); -XIX Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества (Гренобль, 25-29 апреля 1994г.);

- Международной школе-семинаре "Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа - САМГОП-94" (Арзамас-16, 10-15 сентября 1994г.):

- X Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь. 27 февраля - 5 марта 1995г.),

Публикации. Результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 14 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения (первая глава), трех глав с основными результатами. Заключения и списка цитируемой литературы.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении показано, что. для изучения условий зарождения и развития TU, модель тропической атмосферы можно реализовать в виде подогреваемого снизу, вращающегося тонкого слоя жидкости с высокой степенью однородности среднестатистических условий тепломассообмена вдоль горизонтальных направлений, в котором развивается глубокая турбулентная конвекция.

В обзоре литературы, посвященном анализу теоретических и экспериментальных исследований по конвекции во вращающейся жидкости, особое внимание обращено на те ситуации, в которых происходит увеличение горизонтального масштаба конвективных

структур. Рассмотрены три известных к настоящему времени физических механизма генерации КС в турбулентных средах.

Один из них связан с инверсным потоком кинетической энергии в двумерных турбулентных течениях два других действуют в трехмерных движениях.

Один из трехмерных механизмов обусловлен обратным каскадом энергии в спирально-турбулентных средах, характеризующихся отличным от нуля псевдоскаляром <у го1у> - спиральностью. Источником спиральной турбулентности является поле сил с псевдовекторными свойствами, например, магнитное поле или поле сил Кориолиса. Обоснование генерационных свойств спиральной турбулентности в гидродинамических течениях (гидродинамический На-эффект или так называемое "вихревое динамо") дано в работах коллектива авторов из Института космических исследований РАН.

Существование иной возможности увеличения масштабов течения в неспиральной на мелких масштабах жидкости доказано в работах по изучению турбулентной конвекции, выполненных в Институте механики сплошных сред УрО РАН и Институте космических исследований РАН. Эта возможность генерации КС связана с процессами, происходящими в развитых турбулентных режимах конвекции при условии теплоизоляции границ слоя, и названа авторами "аномальным" переносом тепла, поскольку поток тепла совпадает с направлением горизонтального градиента осредненной температуры. Существование данного эффекта подтверждено натурными исследованиями в тропической зоне Тихого океана во время экспедиций "Тайфун-89, 90".

Вторая глава посвящена теоретическому изучению крупномасштабной турбулентной конвекции в плоском бесконечном горизонтальном слое несжимаемой жидкости толщиной 2Ь, вращающемся вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью 0. Слой разогревается внутренними источниками тепла с пространственно однородным распределением мощности подогрева ч. Нижняя твердая граница слоя теплоизолирована. Теплоотдача с верхней свободной границы определяется линейным законом Фурье.

С целью выделения крупномасштабных компонент из общей структуры турбулентного течения система уравнений естественной конвекции в приближении Буссинеска преобразуется с использованием подхода, описанного в работе [14], при этом вводятся поперечные пространственные моменты физических полей. Например, поле скорости V* представляется в виде: у1 = V1 + а1СЬ",2 - 1) + и1,

гЬ аЬ

где V1 = ^Г1/^ , а1 = !»-»/уЧь-'г-Шг .

о о

Здесь величины V1 и ai являются нулевым и первым моментами поля скорости, и1 - мелкомасштабные пульсации. Эволюционные уравнения для системы моментов не замкнуты, т.к. в них входят характеристики мелкомасштабной турбулентности. Замыкание уравнений проводится на основе модели "всплывающих термиков". позволяющей связать параметры мелкомасштабной конвекции с крупномасштабными полями, описываемыми низшими моментами [Теоретические исследования, численное и лабораторное моделирование крупномасштабных вихревых процессов в системе океан-атмосфера. Отчет по НИР. Пермь. ИМСС УрО АН СССР. 1988. Инв. N16344/13-813. БОС.]. Замкнутая система уравнений математической модели для двух низших пространственных моментов имеет вид:

М

+ <Ф,ч/> + + + СИ+Пу = - ~ у - ом ,

Гх + + 2<ФХ ,С-¥/у + (0Х)} + 2<Фу + ру)} -

^ (1)

- fw + д/ЗИЛв ---- у - ау ,

4 Ь

+ <Ф,©> + = -^г + рД© + бу ~ а,© ,

М

&. + + (у/,©) + 7рт© ---,

1 4Ьа

У = АФ , и = Ду . У = Ар .

Здесь V а у/ - г-компоненты ротора поля нулевого и первого моментов скорости соответственно; у - дивергенция поля первых моментов скорости; Ф - функция тока для бездивергентного поля нулевых моментов скорости; у и <р - функция тока и потенциальная функция для поля первых моментов скорости; 0 и & - нулевой и первый момент поля температуры; р - плотность; /3, с -коэффициенты объемного расширения и теплоемкости жидкости; д -ускорение силы тяжести; Т = 20. Введены также скобоки Пуассона, операторы градиента и лапласиана:

<А,В> - Ахву - АД , 7 = эж1 + ау3 , А - ахх + дуу.

Система (I) двумерна и описывает поведение физических

величин в бесконечной горизонтальной плоскости. Все замыкающие соотношения выписаны в правых частях уравнений. Коэффициенты турбулентной вязкости и температуропроводности считаются равными и обозначены м- Коэффициент а описывает трение на нижней границе.

Особую роль, в образовании КС играют тепловые условия на границах. Теплоотдача с верхней границы характеризуется членом а 0 в уравнении для нулевого момента температуры в. Величина а связана с коэффициентом теплоотдачи слоя а соотношением а = В1м/С4Ь2), где В1 = 2Ьа/* - число Био, ж - коэффициент теплопроводности жидкости.

В данной задаче единственный эффект, который может привести к образованию крупномасштабных структур, описывается членом бу. Величина 6у характеризует средний по слою конвективный поток тепла в направлении горизонтального градиента осредненной температуры. Возникновение этого эффекта можно пояснить следующим образом. В турбулентном режиме при числах Рэлея На * 10е-Ю10 у верхней охлаждаемой границы образуется тонкий, порядка нескольких миллиметров, пограничный слой с неустойчивой температурной стратификацией. На нижней границе этого слоя генерируются холодные термики. которые после отрыва от пограничного слоя ускоренно движутся вниз под действием силы тяжести. При возникновении в слое случайного малого возмущения в виде теплового пятна индуцируется сдвиговое течение с подсосом жидкости к более нагретому центру пятна у нижней границы и растеканием к периферии - у верхней. В таком сдвиговом течении ускоренно тонущие холодные термики, пронизывая весь слой, переносятся верхним дивергентным потоком к периферии пятна на большее расстояние, чем смещаются к центру нижним конвергентным потоком, Наоборот, поднимающиеся теплые элементы жидкости получают результирующее перемещение к центру теплового пятна. Таким образом, в зоне теплового пятна возникает средний по слою конвективный поток тепла в направлении горизонтального градиента температуры, т.е. имеет место перенос тепла от более холодных областей к теплым, усиливающий первоначальное возмущение.

Следует особо подчеркнуть то. что данный механизм длинноволновой неустойчивости (механизм "аномального" переноса тепла) возможен только при низкой теплоотдаче границ слоя. В противном случае возникающие крупномасштабные возмущения температуры и генерируемые ими конвективные движения быстро затухают за счет потерь тепла через горизонтальные границы.

Система уравнений (I) имеет решение *$ = у = р = & = 0. © = я/Срса ), соответствующее турбулентной конвекции без КС. Линейный анализ устойчивости такого состояния дает границу к^ безразмерных С в качестве единицы длины взята толщина слоя 2Ь) волновых векторов нарастающих возмущений:

В1С0,073-Рг"11?а2/3 ф 1?еа)

к« _ _ (2)

** 0,044 •Рг-1Аг1?ав/Гв - 0,073 •Рг-'Ка3" - Беа

Здесь 1?а = д/ЗдСаЫ'/Ску^) - число Рэлея, Ее = (.2ЮлТ/и -число Рейнольдса, Рг = р/х - число Прандтля; и, х ~ коэффициенты кинематической вязкости и температуропроводности жидкости.

При выводе формулы С 2) использовались теоретические оценки эмпирических констант у, 6, а , полученные при помощи модели "всплывающих термиков".

При фиксированном значении числа Рейнольдса Ие и росте числа Рэлея Ка из (2) находим следующую оценку для каж:

к*„ - В1 Рг,/аКа",/в .

Полученное выражение свидетельствует о том, что при постоянном числе Прандтля увеличение масштаба возникающих структур, т.е. уменьшение к^, происходит при уменьшении числа Био (уменьшение теплоотдачи с верхней границы) и росте числа Рэлея (увеличение интенсивности мелкомасштабной конвекции).

Третья глава. Результаты вышеприведенного теоретического анализа показывают, что для возникновения КС необходимо сочетание высокой интенсивности мелкомасштабной конвекции с низким уровнем тепловых потерь через горизонтальные границы слоя.

Для реализации рэлеевской конвекции в лабораторных условиях эти требования противоречивы. В экспериментах, обсуждаемых в данной главе, противоречие было снято с помощью объемного ввода Джоулева тепла в теплоизолированный снизу слой электролита и создания интенсивного притока тепла к верхней свободной границе за счет высокой разности температур жидкости и окружающего воздуха при низком значении коэффициента теплоотдачи. Таким образом удавалось вызвать интенсивную мелкомасштабную конвекцию, обеспечив при этом хорошую теплоизоляцию горизонтальных границ слоя жидкости.

Лабораторная модель представляет собой заполненную тонким слоем электролита (двухсантиметровый слабый водный раствор N^0^) квадратную в плане пенопластовую кювету с внутренним размером 70x70 см®, которая устанавливается на горизонтальной платформе,

способной вращаться вокруг вертикальной оси. Однородный разогрев слоя жидкости осуществляется посредством пропускания вдоль него переменного электрического тока. Отвод тепла от жидкости происходит за счет испарения и естественной конвекции воздуха над ее верхней свободной поверхностью. Изменение коэффициента теплоотдачи достигалось нанесением на поверхность электролита сплошного тонкого слоя трансформаторного масла, предотвращавшего испарение воды. Наблюдение велось за верхней поверхностью электролита. Движение жидкости визуализировалось с помощью алюминиевой пудры. На приводимых фотографиях темные линии соответствуют тонущей холодной жидкости.

Для изучения температурных полей использовалась автоматизированная система сбора и обработки информации. Сигнал с дифференциальной термопары подавался на вход цифрового вольтметра Ш68003. а с него поступал на входной регистр ФК73 крейта КАМАК и вводился в микроЭВМ "Электроника МС0585".

В качестве определяющих параметров задачи были выбраны числа Рэлея, Рейнольдса и Био.

В условиях описываемых экспериментов при достаточно малых значениях числа Рэлея возможно механическое равновесие жидкости при неустойчивой температурной стратификации, но для слоя толщиной в несколько сантиметров критическая разность температур, при которой возникает конвективное движение столь мала, что достоверно определить порог возникновения конвекции 1?а* не удавалось.

Серия экспериментов, проведенная в отсутствие вращения (1?е=0), продемонстрировала следующую последовательность смены режимов движения в зависимости от числа Рэлея. Вскоре после потери устойчивости механического равновесия, в слое электролита возникали надкритические конвективные движения в виде валов, существовавшие при числах Рэлея меньших йа*^ 2,7x10®. Далее, с ростом На валы перестраивались в многоугольные ячейки с горизонтальным размером I ~ 2Н, где Н = 2Ь. Крупномасштабные ячейки с I * 4Н возникали при Йа*^ 9,3x10®. В1 ~ 1,9 на фоне мелкомасштабных (рис.I). При этом ламинарное движение сменялось турбулентным режимом конвекции. Улучшение теплоизоляции верхней поверхности электролита с помощью нанесения слоя масла приводило к уменьшению числа Био в 3-4.5 раза и увеличению размера крупных ячеек до Ь 6Н.

Размеры возникающих крупномасштабных структур близки к определяемым с помощью линейной теории по формуле (2).

Критические числа 1?а* определялись следующим образом. В ходе опытов контролировалась мощность N электрического тока протекающего через электролит. В случае стационарного режима она равна количеству тепла, которое рассеивается в окружающую среду с верхней поверхности слоя за единицу времени. Критерием нахождения системы в стационарном режиме было прекращение изменения со временем величины вг = <1 - tv> при г = 0 . где температура жидкости на высоте г С г отсчитывается от нижней границы слоя), I - температура окружающего воздуха. На рис. 2 приведены зависимости температур ©о и вн на горизонтальных границах слоя от N для 0 = 0 при отсутствии масла на поверхности электролита. На графиках отчетливо видны два излома, соответствующие критическим числам йа* и Иа* .

По зависимость вн = ©Н(Ю определялся коэффициент теплоотдачи с верхней поверхности электролита а.

Быстрое вращение слоя (1?е>>400) существенно повышает порог возникновения КС и уменьшает характерный масштаб движений.

Наиболее интересными оказались режимы с относительно невысокими 1?е * 200+380, когда в жидкости наблюдались крупномасштабные циклонические вихри с Ь * 4-6Н. Без масляной пленки, т.е. при более высоком уровне тепловых потерь, крупномасштабные вихри с Ь * 4Н возникали на фоне мелкомасштабных при Йа* ~ 9,3x10е, йе ^ 280 , В1 ~ 1,3. Крупные вихри пронизывались восходящими и нисходящими потоками мелкомасштабной циркуляции и не имели выраженной формы. Время жизни таких вихрей составляло 5+10 секунд. Улучшение теплоизоляции верхней поверхности электролита с помощью нанесения слоя масла увеличивало на порядок время жизни крупномасштабных образований. В этом случае крупномасштабные вихри с Ь * 6Н сильно подавляют мелкомасштабную конвекцию. Сверху они имеют вид раскручивающихся из центра спиралей (рис.3). По механизмам возникновения и пространственной структуре полей температуры и скорости их можно считать лабораторными аналогами тропических депрессий, являющихся ранними стадиями развития ТД.

,Л Экспериментально исследована эволюция средних профилей температуры поперек слоя при изменении числа Рэлея для различных комбинаций режимов вращения и теплоизоляции. Показано, что если исключить из рассмотрения часть профилей, приходящуюся на верхний пограничный слой, то оставшаяся часть профилей может быть полностью описана при помощи только нулевого и первого моментов

температуры. Этим подтверждается оправданность учета в математической модели только двух низших моментов температурного поля.

В лабораторном эксперименте исследованы пространственные спектры Фурье температурных полей до и после образования крупномасштабных вихревых структур во вращающемся электролите, теплоизолированном слоем масла . Показано, что в последнем случае энергия движений с характерными масштабами порядка ЮН возрастает более чем на порядок. Этот факт свидетельствует о развитии в системе длинноволновой неустойчивости. По мере эволюции крупномасштабных структур, практически во всем диапазоне волновых чисел устанавливается распределение вида Е ^ к"2.

В экспериментах исследовалось влияния разного вида тепловых воздействий на формирование крупномасштабных вихрей. Для этого на дно лабораторной кюветы помещались локальные электрические нагреватели разных типов.Показано,что воздействие можно оказать только при выполнении определенных условий(см.п.4 основных результатов).

Четвертая глава. Проведенный анализ литературы обнаружил, практически полное отсутствие лабораторных экспериментов, в которых бы изучалось влияние внешней мелкомасштабной спиральности на процессы генерации КС при турбулентной конвекции. Поэтому была разработана и изготовлена описываемая ниже установка.

Установка состоит из лабораторной модели, установленной на горизонтальной платформе, способной вращаться вокруг вертикальной оси по часовой стрелке с угловой скоростью 0. Лабораторная модель представляет собой квадратную в плане кювету с рабочим размером 24,5 х 24,5 см2 в которую наливается слой трансформаторного масла регулируемой толщины. Под днищем кюветы размещен шестеренчатый раздаточный редуктор, который распределяет вращение на 36 одинаковых пропеллеров, расположенных в шахматном порядке с шагом 3,4 см в центральном горизонтальном сечении слоя масла. Раздаточный редуктор выполнен таким образом, что в любой момент времени пропеллеры, соответствующие черным и белым клеткам, вращаются в противоположном направлении с равной угловой скоростью шь. Таким образом, суммарный момент количества движения, вносимый всеми пропеллерами в слой жидкости равен нулю, но в то же время все пропеллеры генерируют трехмерные вихри со спиральностью одного знака. Изменяя частоту вращения пропеллеров, можно изменять величину вносимой в слой спиральности. Изготовлены два комплекта пропеллеров: "правые" и "левые", которыми генерируются потоки жидкости со спиральностью разного знака.

Существенно, что параметр Кориолиса и величину вносимой в слой спиральности можно изменять независимыми способами.

Верхняя поверхность 3 см слоя трансформаторного масла во время экспериментов была открытой. На нижней твердой поверхности, ограничивающей слой масла, размещается плоский электрический нагреватель, выполненный из тонкой нихромовой проволоки, имеющий форму круга диаметром 10 см. Центр нагревателя находится в точке пересечения диагоналей дна кюветы и совпадает с осью вращения платформы. При пропускании тока через такой нагреватель и вращении платформы удается возбудить циклонический вихрь, расположенный в зоне над нагревателем, свойства которого подробно изучены в [Богатырев Г.П. Возбуждение циклонического вихря или лабораторная модель тропического циклона // Письма в 1ЭТФ. 1990. Т. 51. Вып.П. С.557-559.]. Включив дополнительно вращение пропеллеров, можно исследовать влияние внешней мелкомасштабной спиральности на процессы генерации и развития такого циклонического вихря.

Угловая скорость жидкости в центральной зоне « определялась датчиком, состоящим из четырех вертикально расположенных полосок медной фольги шириной I см. расположенных под углом 90°. Внешний край полосок при вращении датчика описывал цилиндрическую поверхность диаметром 3,5 см. Сверху полоски крепились к крестовине, установленной на острии иглы вмонтированной в дно кюветы. В пространстве игла совпадала с осью вращения модели. Зазор между дном кюветы и датчиком составлял около 0,5 мм.

В качестве определяющих параметров задачи были выбраны число Грасгофа в = д/ЗДТН3/ь>г и число Рейнольдса Не, где ДТ - перепад температуры между нагревателем и верхней поверхностью слоя, который измерялся с помощью термопарного датчика.

В экспериментах наблюдались следующие явления. Если число Грасгофа больше некоторого критического в*, то над нагревателем зарождается циклонический вихрь, который пронизывает всю толщину слоя, при этом относительная угловая скорость вращения датчика Б = (со - 0)/П становится отличной от нуля.

Исследования проведены для случая, когда из зоны над нагревателем убраны 12 внутренних пропеллеров, поскольку их воздействие приводило к разрушению структуры развивающегося в этом пространстве циклонического вихря. Результаты экспериментов суммированы на рис. 4, где показано как изменяется относительная угловая скорость вращения датчика Б при изменении величины

внесимой в слой внешней спиральности (из соображений размерности ясно, что спиральность <v rotv> ~ Ни®), Верхняя кривая на рис. 4 получена для "левых" пропеллеров, нижняя кривая - для "правых" пропеллеров при одних и тех же зафиксированных параметрах: G = 15,5х10+, Re = 70. Изменение направления вращения пропеллеров Скак "правых", так и "левых"), соответствующих клеткам одного цвета, на противоположное, при фиксированной величине uh . не приводило к изменению результатов. Это свидетельствует об отсутствии систематических ошибок, которые могли возникать при неоднообразном изготовлении пропеллеров.

Таким образом, экспериментально доказано Сем. рис. 4). что внесение внешней мелкомасштабной спиральности в слой турбулентной жидкости, в которой существует развитой крупномасштабный конвективный вихрь приводит к изменению интенсивности этого вихря.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Сконструирована и создана лабораторная модель, в которой воспроизведены типичные черты тропической атмосферы: неустойчивая стратификация, приводящая к мелкомасштабной конвекции; высокая однородность горизонтальных условий подогрева при очень низкой теплопроводности границ и вращение. В этих условиях получены лабораторные аналоги тропических депрессий, являющихся ранними стадиями развития ТД. При фиксированной скорости вращения слоя жидкости циклонические вихри с масштабом много большим толщины слоя появляются кризисным образом при увеличении поперечного потока тепла, генерирующего мелкомасштабную конвекцию,

2. В лабораторных исследованиях показано, что увеличение теплоизоляции границ плоского слоя жидкости, в которой существует развитая турбулентная конвекция приводит к возрастанию характерного времени жизни крупномасштабных структур.

3. Размеры возникающих крупномасштабных структур близки к предсказанным линейной теорией. Структура полученных в экспериментах средних профилей температуры поперек слоя подтверждает оправданность учета в математической модели только нулевых и первых моментов температурного поля.

4. Исследование влияния разного вида тепловых воздействий на формирование крупномасштабных вихрей показало, что воздействие можно оказать при выполнении следующих условий:

а) выделение тепла в пространстве должно соответствовать основной тепловой моде реального ТЦ;

б) зона нагрева должна постоянно находиться в области развития

генерируемого вихря (в частности, перемещаться вслед за вихрем если условия таковы, что он сносится ведущим потоком).

5. Впервые сконструирована и создана лабораторная установка, позволившая изучить влияние внешней мелкомасштабной спиральности на процессы генерации и развития крупномасштабных вихревых структур при турбулентной конвекции. В экспериментах доказано, что внесение внешней спиральности в слой турбулентной жидкости, в которой существует развитой крупномасштабный конвективный вихрь приводит к изменению интенсивности этого вихря.

Перечень научных работ по теме диссертации:

1. Зимин В.Д., Левина Г.В.. Моисеев С.С., Руткевич П.Б., Старцев С. Е., Тур А.В. Генерация крупномасштабных вихрей в подогреваемом снизу вращающемся стратифицированном слое // Проблемы стратифицированных течений. Труды Всесоюзной конференции. Юрмала. 14-18.11.1988. Саласпилс. 1988. 4.2. С.17-20.

2. Levina G. V., Startsev S. Е., Zimin V. D.. Moiseev S. S. Laboratory Analogue of Tropical Cyclone. Nonlinear World. Proc. of the IV Int. Workshop on Nonlinear and Turbulent Processes in Physics. Kiev. 9-22 October 1989. Kiev: Naukova Dumka. 1989. V.2. P.307-510.

3. Levina G. V., Startsev S. E.. Zimin V. D., Moiseev S. S., Bogatirev G.P., Schwarz K.G. Mathematical and Laboratory Simulation of Tropical Cyclones. EPS Liquid State Conference on Turbulence. Proc. of the 5-th Conf. Moscow. 16-21 October 1989. P.172-175.

4. Богатырев Т.П.. Зимин В.Д., Моисеев С.С.. Старцев С.Е. Генерация крупномасштабных циклонических вихрей в неустойчиво- стратифицированной вращающейся жидкости // Журнал технической физики. 1990. Т.60. Вып.4. С.185-188.

5. Startsev S. Е. Laboratory modeling of the early stages of tropical cyclone generation // Int. Symp. "Generation of Large-Scale Structures in Continuous Media". Perm-Moscow. 11-20 June 1990. Abstracts. Moscow. 1990. P. 233-234.

6. Zimin V. D., Startsev S. E., Shaidurov V. G., Moiseev S. S. Laboratory modeling of the early stage of a tropical cyclone //Chaos. 1991. V. 1. N2. P.232-236.

7.- Levina G. V., Startsev S. E., Zimin V, D. f Moiseev S. S. Generation of Large-Scale Structures in Rotating Layers

: Heated from Below. XVI General Assembly of the European Geophysical Society. Germany. Wiesbaden. 22-26 April 1991. Abst-

Рис. I.Крупномасштабные конвективные ячейки при отсутствии вращения и масла на поверхности электролита. Ка-20х10е, ВЫ.8.

^ 10 ст

в П

Рис. 2.

Рис. 3. Крупномасштабные вихри Рис. 4. на фоне мелкомасштабной конвекции. Ра^ЮхЮ®, Р!е^380, В1Ч),41.

racts. Annales Geophysicae. Suppl.to V.9. 1991. NP3-26. G5SS.

8. Зимин В.Д., Левина Г.В., Моисеев С.С., Старцев С.Е. Генерация крупномасштабных структур в подогреваемых снизу вращающихся слоях. VII Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Москва. 15-21 августа 1991. Тезисы докладов. С.163.

9. Зимин В.Д., Левина Г.В., Моисеев С.С., Старцев С.Е., Шварц К. Г. Моделирование крупномасштабных структур в подогреваемом снизу вращающемся слое. IV Всероссийская школа молодых ученых "Численные методы механики сплошной среды". Абрау- Дюрсо. 26-31 мая 1992. Тезисы докладов. Красноярск. 1992. С.65-67.

10. Levina G. V., Startsev S. E., Zimin V. D., Moiseev S. S. Experimental Simulation of the Early Stages of a Typhoon Development. XIX General Assembly of the European Geophysical Society. France. Grenoble. 25-29 April 1994. Abstracts. Annales Geophysicae. Suppl. 1994. NP2/0A15.

И. Левина Г.В., Старцев С.Е. Математическое моделирование генерации крупномасштабных структур в конвективной турбулентности. . Международная школа- семинар "Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа САМГОП-94". Арзамас-16. 10-15.09.1994. Тезисы докладов. С.72.

12. Левина Г.В., Старцев С. Е. Об одном физическом механизме генерации крупномасштабных структур при турбулентной конвекции в горизонтальном слое жидкости. X Зимняя школа по механике сплошных сред. Пермь. 27 февраля - S марта 1993. Тезисы докладов. Екатеринбург: Уро РАН. 1995. С. I50-I5I.

13. Левина Г.В., Старцев С.Е. О другом физическом механизме генерации крупномасштабных структур при турбулентной конвекции в горизонтальном слое жидкости. X Зимняя школа по механике сплошных сред. Пермь. 27 февраля - 5 марта 1995. Тезисы докладов. Екатеринбург: Уро РАН. 1995. С. 151-152.

14. Зимин В.Д., Левина Г.В., Моисеев С.С., Старцев С.Е., Шварц К. Г. Об одном физическом механизме генерации крупномасштабных структур при турбулентной конвекции // Известия АН, Механика жидкости, газа и плазмы. 1996. С" ).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований Спроект ft 95-01-01094а).

Ризограф ТОО "Ave Mac" г.Пермь. C4.NI8 от 04.03.96. Тираж ЮОэкз.