Параметрическое возбуждение, локализация и синхронизация в распределенных нелинейных системах гидродинамического типа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

00305Б871

па правах рукописи

Голдобин Денис Сергеевич Параметрическое возбуждение, локализация и

синхронизация в распределенных нелинейных системах

гидродинамического типа 01.02.05 — Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пермь - 2007

003056871

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Пермского государственного университета.

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор Любимов Дмитрий Викторович

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, доцент Анатолий Александрович Черепанов (Пермский государственный университет)

кандидат физ.-мат. наук Игорь Иосифович Вертгейм (Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь)

Ведущая организация:

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники РАН

Защита состоится «15» мая 2007 г. в 1515 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.06 при Пермском государственном университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан «10» апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доцент QffiKwwJ Г.И. Субботин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Тепловая и термоконцентрационная конвекция в пористых средах представляет интерес как в связи с прикладными задачами, связанными с технологическими (например, охлаждение реакторов, фильтрация) и природными процессами (например, течения грунтовых вод), так и с точки зрения математической физики (например, явление косимметрии). При этом, учитываемый в работе при рассмотрении термоконцентрационной конвекции эффект термодиффузии (эффект Соре) существенен в газах и некоторых жидкостях, с одной стороны, и приводит к влиянию примесей на конвекцию при реалистичных граничных условиях, с другой.

Вместе с тем, вибрационное воздействие на термоконцентрационную конвекцию, имея самые разнообразные приложения (например, вибрационный контроль процессов тепло- и массопереноса в теплообменниках, смесителях и сепараторах минеральных веществ), остается на сегодняшний день почти не исследованным.

В силу того, что вынужденные течения в слое очень медленно затухают по мере удаления от источника тепла или примеси даже при интенсивности подогрева, не достигающей критического (для возбуждения конвекции) значения, эти источники могут очень сильно влиять на течения жидкости и процессы тепло- и массопереноса в слое.

В реальных ситуациях, как правило, сложно реализовать системы с идеально однородными свойствами. Хотя в квантовой механике явление локализации решений при случайной пространственной модуляции параметров широко известно (локализация Андерсона) и довольно хорошо изучено, упоминаний об аналогичных исследованиях для гидродинамических систем в литературе не встречается.

Другим эффектом, связанным со свойствами стохастических систем, и требующим формального математического аппарата, очень похожего на тот, что используется для исследования одномерной локализации Андерсона, является синхронизация идентичных или похожих систем общим шумом. Явление синхронизации нелинейных динамических систем настолько широко рас-

пространено в природе и фундаментально, что не имеет смысла перечислять отдельные приложения, связанные с ним напрямую. Но, в дополнение, можно упомянуть приложения, не связанные с синхронизацией напрямую, а касающиеся свойств устойчивости отклика системы на сложный сигнал (надежность (reliability) нейронов и устойчивость (consistency) лазеров). Дело в том, что если отклик устойчив, то сравнение двух реализаций отклика позволяет судить о степени идентичности реализаций соответствующих входных сигналов. В контексте вопросов восприятия и передачи информации, в случае с нейронами это предоставляет (или запрещает) принципиальную возможность кодирования сложных входных сигналов последовательностью синаптиче-ских импульсов.

Цели работы:

• Изучение вызванной эффектом Соре термоконцентрационной конвекции бинарной смеси, насыщающей тонкий горизонтальный слой пористой среды, при заданном тепловом потоке через границы;

• Рассмотрение резонансного и нерезонансного влияния вибраций на термоконцентрационную конвекцию в упомянутой системе;

• Исследование поведения системы при наличии локализованного внутреннего источника тепла или примеси (в отсутствие вибраций);

• Изучение локализации конвективных течений (однокомпонентной) жидкости в тонком горизонтальном слое пористой среды при стационарной случайной пространственной неоднородности нагрева;

• Исследование влияния горизонтального прокачивания жидкости на свойства локализации конвективных течений при случайной неоднородности нагрева;

• Исследование устойчивости отклика автоколебательных систем на шумовое воздействие;

• Изучение синхронизации идентичных или похожих систем общим внешним шумом.

Научная новизна результатов

• Выведены уравнения длинноволновой термоконцентрационной (с учетом 4

эффекта Соре) конвекции в тонком горизонтальном слое пористой среды при заданном потоке тепла через границы слоя, справедливые при конечных надкритичностях [2]. Обосновано использование этого приближения: доказано, что критическими являются длинноволновые возмущения.

• Впервые исследовано резонансное параметрическое возбуждение термоконцентрационной конвекции, обусловленной эффектом Соре, в пористой среде [1].

• Получены решения, отвечающие течениям бинарной смеси от локализованного источника тепла или примеси в слое пористой среды [2].

• Впервые исследована локализация Андерсона в гидродинамической системе (жидкость в слое пористой среды при случайно неоднородном подогреве) [3]. Обнаружено существенное нетривиальное влияние прокачивания на свойства локализации конвективных течений.

• Обнаружено и доказано, что слабый шум всегда синхронизует системы с гладким устойчивым предельным циклом [4,5,7] (иными словами, отклик таких систем на шумовое воздействие устойчив).

• Обнаружено, что умеренный шум может десинхронизовать автоколебательные системы с достаточно большой неизохронностью колебаний в окрестности предельного цикла [6,7,8] (неустойчивый отклик).

• Впервые описана возможность неустойчивости отклика для нейронопо-добных систем [8].

• Исследовано влияние неидентичностей систем, подверженных воздействию общего шума, на степень синхронности их колебаний [6,8].

Автором представляются к защите:

• Результаты исследования термоконцентрационной конвекции бинарной смеси, для которой существенен эффект Соре, в тонком горизонтальном слое пористой среды при заданном тепловом потоке через границы;

• Описание влияния вибрационного воздействия на конвективную устойчивость бинарной смеси в слое пористой среды [1];

• Решения, описывающие вынужденную конвекцию бинарной смеси от локализованного источника тепла или примеси в подогреваемом горизон-

тальном слое пористой среды [2];

• Свойства локализации конвективных течений однокомпонентной жидкости в тонком горизонтальном слое пористой среды при стационарной случайной пространственной неоднородности нагрева и их зависимость от горизонтального прокачивания жидкости через слой [3];

• Свойства устойчивости отклика автоколебательных систем при шумовом воздействии [4,5,6,7,8];

• Эффекты синхронизации и десинхронизации идентичных или похожих систем общим внешним шумом [6,7,8];

• Свойства синхронности колебаний слегка неидентичных систем [6,8].

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением как с известными ранее работами, так и с появляющимися работами авторов, работающих над смежными проблемами, адекватностью методов исследования и согласием результатов, полученных разными методами и с использованием разных подходов.

В частности, в работах [1,3,6,7,8] все численные результаты сходятся по мере уменьшения погрешности процедур интегрирования уравнений, не изменяются при использовании других процедур и в соответствующих пределах согласуются с результатами аналитических теорий, построенных, как в самих этих работах и работах [4,5], так и в работах других авторов.

В пользу достоверности результатов также свидетельствует то, что основные результаты работы [4] были, по-видимому, независимо получены }. Тегашае и D. Tanaka и представлены в работе Phys. Rev. Lett. 93, 204103 (2004).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 6 статьях в журналах1, 2 трудах конференций и тезисах 9 перечисленных ниже докладов на конференциях. В работах [1,2,4,5,6,8] соискатель принимал участие в постановке задач и обсуждении результатов и проводил основные вычисления - вывел

1 входящих в перечни ведущих рецензируемых и зарубежных научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук

нелинейные уравнения длинноволнового приближения в [1,2], получил аналитическое решение задач в [2,4,5], дал теоретическое объяснение и (приближенное) аналитическое описание обнаруженных эффектов в [6,8]; задачи, доложенные в работах [3,7], поставлены и исследованы соискателем самостоятельно.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на International Conference "Advanced Problems in Thermal Convection" (Пермь, 24 - 27 ноября 2004 г.); 14-ой Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 28 февраля - 3 марта 2005 г.); 4-th International Conference on "Unsolved Problems of Noise" (Галлиполи, Личи, Италия, 6-10 июня 2005 г.); 13-th International IEEE Workshop on "Nonlinear Dynamics of Electronic Systems" (Потсдам, Германия, 18-22 сентября 2005 г.); 6-th Crimean School and Workshops "Nonlinear Dynamics, Chaos, and Applications" (Ялта, Крым, Украина, 15 - 26 мая 2006 г.); International Seminar and Workshop "Constructive Role of Noise in Complex Systems" (Дрезден, Германия, 26 июня-21 июля 2006 г.); International Conference "Dynamics Days Europe 2006" (Крит, Греция, 25 - 29 сентября 2006 г.), а также на Пермском гидродинамическом семинаре им. Г.З.Гершуни и Е.М.Жуховицкого (17 марта 2006 г. и 10 января 2007 г.).

Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы для создания методов изучения физических параметров и свойств жидкости. Вибрационное управление конвективной устойчивостью бинарной смеси в пористой среде может быть использовано при фильтрации и, например, разделении изотопов. Точечные источники тепла/примеси в слое пористой среды, насыщенном бинарной смесью, как и случайная неоднородность нагрева слоя, насыщенного однокомпонентной жидкостью, вызывают существенный конвективный перенос тепла даже в подкритической области, что может радикально сказываться на интегральных теплопроводя-щих(изолирующих) свойствах таких слоев. Контроль синхронности работы автоколебательных систем находит самое широкое применение в технике и проявление в природе; устойчивость отклика нейронов на шумовое воздействие позволяет допустить принципиальную возможность кодирования сложных входных сигналов последовательностью синаптических импульсов.

Содержание и структура работы. Диссертация состоит из введения, че-

тырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 150 страницы. В работу включено 30 рисунков. Список литературы содержит 103 наименования.

Общее содержание работы

Введение. Во введении представлен обзор литературы, содержание и основные цели работы.

Литературный обзор состоит из нескольких частей, актуальных для разных глав диссертации. Проблемы течения жидкости через пористую среду (1) и задачи о тепловой конвекции жидкости в ней (2) актуальны для глав 1-3. Вопросы термоконцентрационной конвекции в слое (3) связаны с главами^. Применение длинноволнового приближения (4) в задачах (2) и (3) актуально для глав 1-3. Ситуация с исследованием параметрического возбуждения конвекции (5) в системах (2) и (3) важна для определения направления исследовательских работ в главе 1. С изучением течений от локализованных источников тепла/примеси (6) связана глава 2. С вопросами локализации решений при случайной неоднородности параметров (7) связана глава 3. И, наконец, в связи с главой 4 представляет интерес состояние исследований синхронизации систем общим шумом и в смежных областях (8).

В целом, обзор литературы выявляет недостаточность результатов исследований (несмотря на актуальность и востребованность) а) резонансного вибрационного возбуждения термоконцентрационной конвекции, обусловленной эффектом Соре, в пористой среде, б) конвективных течений бинарной смеси от локализованного источника примеси или тепла в слое пористой среды, в) локализации конвективных течений в горизонтальном слое пористой среды при случайно неоднородном нагреве и г) синхронизации нелинейных систем общим шумом.

Первая глава. С учетом эффекта Соре исследуется термоконцентрационная конвекция бинарной смеси, насыщающей, горизонтальный слой пористой среды при заданном потоке тепла через границы слоя.

Выводятся нелинейные уравнения, описывающие поведение длинноволновых возмущений стратифицированного состояния. Эти уравнения справед-8

ливы при конечных надкритичностях и записываются в терминах возмущений химического потенциала и поля температуры.

Устойчивость состояния механического равновесия в стационарном поле тяжести исследуется аналитически для длинноволновых возмущений и численно для возмущений конечной длины волны. Строго доказывается для монотонных возмущений и достоверно демонстрируется для колебательных, что длинноволновые возмущения являются критическими, что обосновывает использование длинноволнового приближения.

В той же главе исследуется параметрическое возбуждение конвекции при модуляции поля тяжести на частотах, являющихся резонансными для длинноволновых возмущений. В первую очередь рассматривается устойчивость по отношению к возмущению заданной длины волны. Показано, что в областях, где мультипликаторы возмущений комплексные, параметрическое воздействие не меняет свойств устойчивости системы, однако границы областей параметров, где мультипликаторы остаются комплексными, зависят от амплитуды модуляции. Таким образом, вибрационная дестабилизация (стабилизация) системы может быть связана только с резонансами и монотонным уровнем неустойчивости. Для малых амплитуд вибраций аналитически исследованы (в том числе, получены границы устойчивости) первые три резонанса и основная зона неустойчивости. При конечных амплитудах вибраций задача исследуется численно.

В заключение первой главы исследуется устойчивость состояния механического равновесия по отношению к немонохроматическим возмущениям. Принимается во внимание тот факт, что в отсутствие модуляции в рамках используемого длинноволнового приближения потеря устойчивости происходит одновременно ко всем возмущениям. Результаты анализа параметрического возбуждения возмущений с фиксированной длины волны используются для определения границ устойчивости состояния механического равновесия в конечном и бесконечном слоях: дискретный и непрерывный спектры волновых чисел, соответственно. При малой амплитуде вибраций задача устойчивости бесконечного слоя (непрерывный спектр) решается аналитически.

Вторая глава. Рассматриваются конвективные течения бинарной смеси в

той же постановке задачи, что и в предыдущей главе, при стационарном поле тяжести и локализованном источнике тепла или примеси в слое.

Показано, что на достаточном расстоянии от источника решения становятся осесимметричными, и геометрия источника и то, как он организован, оказываются несущественны. Более того, для осесимметричных течений в конкретной точке получаются алгебраические уравнения, определяющие зависимость производных полей давления и температуры от потока тепла и примеси в этой точке, а последние, в свою очередь, определяются законами сохранения.

Эти алгебраические системы исследуются сначала для более простого случая источника примеси, когда возможно только 5 типов конвективных течений. Рассматривается вопрос устойчивости этих течений. Анализ асимптотического поведения решений выявляет, что примесь из окрестности источника всегда выносится преимущественно конвективным образом.

Примечательно, что часть формальных решений алгебраических уравнений является неоднозначной функцией координат. В некоторых случаях имеющее физический смысл асимптотическое поведение на бесконечности и в окрестности источника наблюдается для разных веток формального решения. Последнее с неизбежностью навязывает скачкообразные (с точки зрения длинноволнового приближения) переходы между различными режимами длинноволнового течения, т.е. области длинноволнового течения могут быть разделены кольцами переходного течения (подобно тому, как это имеет место для гидравлического скачка).

Аналогично источнику примеси, рассматривается источник тепла. Однако, в этом случае система демонстрирует более сложное поведение и большее разнообразие возможных режимов (15 типов течений), которые подробно проанализированы. Показывается, что тепло из окрестности источника может выноситься как конвективно, так и диффузионно. Причем, между этими режимами выноса тепла не исключена мультистабильность (возможны гистере-зисные переходы). Как и для источника примеси, возможны режимы с кольцами переходных течений.

Третья глава. Рассматривается конвекция жидкости, насыщающей тон-

кий слой пористой среды, при заданном пространственно неоднородном потоке тепла через границы. Конкретно, интерес представляют свойства локализации течений в этой системе при случайной неоднородности нагрева.

Выводятся уравнения длинноволновой тепловой конвекции при неоднородном нагреве, справедливые при малых над-/подкритичностях:

в — V7r • V9 + А2 9 — div(V#(V#)2 — q(x, y)V0) = 0, Дтг = 0, (1)

где в - возмущение температуры, q - относительное отклонение потока тепла от критического при однородном нагреве, 7Г - давление, связанное с вынужденным прокачиванием жидкости через слой; все поля зависят только горизонтальных координат (температура поперек слоя почти не меняется). В одномерном случае это уравнение совпадает с аналогичным для конвекции в однородной жидкости, а в двухмерном, в отличие от случая однородной жидкости, не содержит нелинейной по температуре части в адвективном члене Vn-Ve.

Далее для случая q(x,y) = q0 +4D £(х), где £(х) - нормированный га-уссовский белый шум, рассматриваются однородные вдоль у решения, для которых дхтх = —и = const. Оказывается, что в процессе эволюции реализуются стационарные решения. Если стационарное решение уравнения (1) локализовано, вдали от центра локализации решение мало и описывается стационарным линеаризованным вариантом уравнения (1), который и определяет свойства локализации в рассматриваемой системе.

Примечательно, что при и = О для производной в1 получается стационарное уравнение Шредингера, свойства локализации в котором при <5 -коррелированном потенциале хорошо исследованы: все состояния с любой энергией (соответствующей здесь средней надкритичности q0) локализованы. Однако рассматриваемый в работе случай примечателен не только наличием прокачивания, но и принципиальным отличием в физической интерпретации и наблюдаемости эффектов, связанных с формальными свойствами уравнений, в данной нелинейной гидродинамической задаче и линейном уравнении Шредингера: в уравнении Шредингера различные локализованные решения

линейной задачи принципиально не взаимодействуют между собой и соответствуют связанным состояниям частиц в случайном потенциале, тогда как в данной задаче все такие моды взаимодействуют между собой через нелинейность и вместе формируют некоторое стационарное течение, которое при большой пространственной плотности локализованных мод может иметь примерно постоянную в пространстве интенсивность. Таким образом, для того чтобы наблюдать локализованные течения в рассматриваемой гидродинамической системе, пространственная плотность возбуждаемых мод должна быть невелика, что реализуется при достаточно большой отрицательной средней надкритичности д0.

На основе линеаризованных уравнений вычисляются показатели локализации решений, при этом выясняются некоторые свойства самих решений: например, в отсутствии прокачивания локализованы течения, но не возмущения температуры, а при прокачивании локализуются и течения, и возмущения температуры. Аналитически оцениваются значения показателей роста температуры.

В заключение, приводятся результаты прямого численного моделирования полной нелинейной системы. Оказывается, что при достаточно большом отрицательном д0, действительно, реализуются локализованные стационарные течения. Эти решения локализованы в полном соответствии с предсказаниями, сделанными на основе исследования линеаризованных уравнений.

Четвертая глава. Исследуется устойчивость отклика автоколебательных систем на шумовое воздействие и связанная с ней синхронизация идентичных автоколебательных систем общим внешним шумом.

На первом этапе автоколебательные системы рассматриваются в фазовом приближении, в рамках которого можно пренебречь отклонениями состояний системы от предельного цикла системы без шума. Последнее допустимо при малых интенсивностях шума либо большой устойчивости предельного цикла. В рамках этого приближения исследуются статистические свойства фазы колебаний системы и вычисляется показатель Ляпунова, описывающий в данном случае устойчивость отклика. Полученные в квадратурах для одного и нескольких независимых шумов решения рассматриваются в двух частных

0.1

я

ш о 0.0

X

-0.1

с

о;

л -0.2

с;

ш

£ -0 3

(О

-0.4

ж

О

с

-0 5

.—. Ь=0 0

«—. Ь=0 5

■—■ Ь=1.0

■—■ Ь=1.5

*—*Ь=2 0

'—» Ь=2.5

ю-4

10"

амплитуда шума, г

Рис.1: Синхронизация общим шумом на примере осциллятора Ван дер Поля-Дюффинга (2) с ц = 0.2 . Левый график: зависимость показателя Ляпунова от амплитуды шума. Правый график: мгновенное состояние ансамбля 10000 слабо неидентичных осцилляторов (2) при Ъ = 1 (при е = 0.2 и е — 2.5 показатель Ляпунова отрицателен и состояния систем близки, при £ = 1.0 показатель Ляпунова положителен и состояния систем распределены на фрактальном множестве).

случаях: одного и двух линейно поляризованных шумов.

Для изучения ситуаций, когда фазовое приближение не применимо, произведено численное исследование осциллятора Ван дер Поля-Дюффинга, подверженного шумовому воздействию:

х - /х(1 - х2)х + х + Ьх2 = еф), (2)

где £(£) - нормированный гауссовский белый шум, е - амплитуда шума, ц и Ь - параметры системы. Выявляется нетривиальная зависимость показателя Ляпунова от интенсивности шума (рис. 1), но подтверждаются результаты, полученные в фазовом приближении для малых интенсивностей шума.

В контексте явления синхронизации под воздействием общего шума рассматриваются неидеальные ситуации: слегка неидентичные осцилляторы или слегка неидентичный шум (дополнительный внутренний шум). Конкретнее, при устойчивом отклике интерес представляют соотношения между отклонениями состояний осцилляторов и величиной показателя Ляпунова. Для малых

интенсивностей шума в приближении малых отклонений фаз удается построить аналитическое описание статистических свойств этих отклонений, и это сделано для обоих описанных неидеальных случаев.

Для осциллятора Ван дер Поля-Дюффинга степень синхронности систем в описанных неидеальных ситуациях исследуется численно (рис. 1) и оказывается в согласии с результатами аналитической теории.

С целью проверки степени специфичности полученных результатов для гауссовского белого шума рассмотрен случай телеграфного шума. Для этого случая воспроизведены все основные исследования, проделанные для белого гауссовского шума: для основных эффектов наблюдается качественное согласие результатов.

Основные результаты

1. Выведены уравнения длинноволновой термоконцентрационной (с учетом эффекта Соре) конвекции бинарной смеси в тонком горизонтальном слое пористой среды при заданном потоке тепла через границы слоя, справедливые при конечных надкритичностях.

2. Рассмотрена задача линейной устойчивости состояния механического равновесия по отношению к возмущениям с произвольной длиной волны: доказано, что критическими являются длинноволновые возмущения.

3. Получены области возбуждения термоконцентрационной конвекции, обусловленной эффектом Соре, в пористой среде при модуляции силы тяжести. Рассмотрены случаи возмущения заданной длины волны, дискретного и непрерывного спектров. При малых амплитудах модуляции задача решена аналитически, при конечных - численно.

4. Получены решения, отвечающие течениям бинарной смеси от локализованного источника тепла или примеси в слое пористой среды. Оказалось, что в случаях, когда стационарное течение устойчиво, области длинноволнового течения могут быть разделены кольцами переходного течения.

5. Выяснено, что в случае локализованного источника примеси, ее вынос из окрестности источника осуществляется преимущественно конвективным об-

разом. Для локализованного источника тепла найдены два типа режимов: с конвективным и диффузионным механизмами выноса тепла из окрестности источника. В некоторых случаях между этими режимами выноса тепла возможны гистерезисные переходы.

6. Исследована локализация Андерсона для конвекции в слое пористой среды при случайно неоднородном подогреве. Обнаружено существенное нетривиальное влияние прокачивания на свойства локализации конвективных течений: (i) прокачивание приводит к локализации возмущений поля температуры (без прокачивания локализованы только течения, но не возмущения температуры), (ii) при малом конечном прокачивании характерные длины локализации течений против потока могут увеличиваться на порядок.

7. Рассмотрена устойчивость отклика автоколебательных систем на шумовое воздействие (белый гауссовский или телеграфный шум): когда отклик устойчив,1 идентичные системы под воздействием общего внешнего шума ведут себя синхронно. Обнаружено и доказано, что при слабом шуме отклик системы с гладким предельным циклом всегда устойчив.

8. Обнаружено, что при умеренном шуме отклик автоколебательной системы может быть неустойчив. Впервые обнаружена возможность неустойчивости отклика для нейроноподобных систем.

9. Исследована степень синхронности поведения систем под управлением внешнего шума в неидеальных ситуациях: рассмотрены случаи (i) слегка неидентичных систем и (ii) дополнительного слабого индивидуального шума. При малом внешнем шуме для случаев малых отклонений состояний систем задача исследована аналитически в рамках фазового приближения. Выявлена перемежаемость между эпохами синхронного и асинхронного поведения систем при сколь угодно малых неидентичностях.

Список основных публикаций

1. Goldobin D.S., Lyubimov D.V., Mojtabi A. Parametrical instability of a conductive state of binary mixture in porous medium // Proc. of Int. Conf. "Advanced problems in thermal convection". Perm. 2004. P. 179-184.

/к

2. Голдобин Д. С., Любимов Д. В. Термоконцентрационная конвекция бинарной смеси в горизонтальном слое пористой среды при наличии источника тепла или примеси // ЖЭТФ, Т. 131, №4,2007.

3. Голдобин Д.С. Локализация течений в горизонтальном слое при случайно неоднородном нагреве // Изв. Вузов. ПНД, Т. 15, №3,2007. С. 29-37.

4. Голдобин Д.С., Пиковский A.C. О синхронизации периодических автоколебаний общим шумом // Изв. Вузов. Радиофизика, Т. 47, №10-11, 2004. С. 1013-1019. Перевод Goldobin D.S. and Pikovsky A.S. Synchronization of periodic self-oscillations by common noise // Radiophys. Quantum Electron. V. 47, №10-11, 2004. P. 910-915.

5. Goldobin D.S. and Pikovsky A.S. Synchronization of self-sustained oscillators by common white noise //Physica A, V. 351, №1, 2005. P. 126-132.

6. Goldobin D.S. and Pikovsky A. Synchronization and desynchronization of self-sustained oscillators by common noise // Phys. Rev. E, V. 71, №4, 2005. 045201—4.

7. Goldobin D.S. Synchronization of Limit Cycle Oscillators by Telegraph Noise // in "Unsolved Problems of Noise and Fluctuations: UPoN 2005", edited by L. Reggiani et a!., AIP Conf. Proc., No. 800(1). AIP, Melville, NY. 2005. P. 394-399.

8. Goldobin D.S. and Pikovsky A. Antireliability of noise-driven neurons // Phys. Rev. E, V. 73, №6,2006. 061906-4.

Подписано в печать «2» апреля2007 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0.9. Тираж 100 экз. Заказ 162

Отпечатано в типографии Пермского государственного университета 614990 г. Пермь, ул. Букирева, 15.

Введение.

Общая характеристика работы.

Глава 1: Параметрическое возбуждение термоконцентрационной конвекции в слое пористой среды.

1.1. Уравнения термоконцентрационной конвекции с учетом эффекта Соре в слое пористой среды.

1.2. Длинноволновое приближение при конечных надкритичностях - нелинейные уравнения.

1.3. Устойчивость состояния механического равновесия в статическом поле тяжести.

1.3.1. Статическое поле тяжести, длинноволновое приближение.

1.3.2. Статическое поле тяжести, возмущения конечной длины волны.

1.4. Параметрическое возбуждение конвекции при низкочастотной модуляции поля тяжести.

1.4.1. Дискретный спектр волновых чисел (протяженная ограниченная область).

1.4.2. Непрерывный спектр волновых чисел (бесконечный слой).

Глава 2: Термоконцентрационная конвекция в слое пористой среды от источников тепла или примеси.

2.1. Стационарные конвективные течения в тонком слое.

2.2. Локализованный источник примеси.

2.3. Локализованный источник тепла.

Глава 3: Локализация течений в горизонтальном слое при случайно неоднородном нагреве.

3.1. Уравнения тепловой конвекции в тонком горизонтальном слое пористой среды при неоднородном нагреве.

3.1.1. Длинноволновое приближение (тонкий слой).

3.2. Локализация течений в слое пористой среды.

3.3. Показатель локализации.

3.3.1. Показатели роста поля температуры.

3.3.2. Показатели роста среднеквадратичных значений.

3.4. Решения нелинейной задачи.

Глава 4: Синхронизация нелинейных систем общим шумом.

4.1. Системы с предельным циклом - показатель Ляпунова.

4.1.1. Уравнение Фоккера-Планка и его стационарное решение.

4.1.2. Показатель Ляпунова.

4.1.3. Пример: линейно поляризованный однородный шум.

4.1.4. Пример: суперпозиция двух независимых линейно поляризованных однородных шумов.

4.1.5. Шум, не допускающий фазового приближения.

4.2. Системы с предельным циклом - неидеальные ситуации.

4.2.1. Слегка неидентичные осцилляторы.

4.2.2. Малый внутренний шум.

4.2.3. Неидеальные ситуации - численные результаты.

4.3. Системы с предельным циклом - телеграфный шум.

4.3.1. Телеграфный шум - мастер-уравнение.

4.3.2. Телеграфный шум - показатель Ляпунова.

4.3.2. Телеграфный шум - численные результаты.

В данной работе явления параметрического возбуждения и локализации в распределенных нелинейных системах изучаются на примере тепловой конвекции в пористой среде. Тепловая конвекция в пористых средах представляет интерес как в связи с прикладными задачами, связанными с технологическими (например, охлаждение реакторов, фильтрация) и природными процессами (например, течения грунтовых вод), так и с точки зрения математической физики (например, явление косимметрии [1,2,3]).

В задачах о течении жидкости через пористую среду необходимо иметь дело со сложной пористой структурой среды и тем, как эта структура влияет на процессы тепло- и массопереноса (в том числе, диффузии в случае смесей). В обощем случае механизмы этих процессов зависят как от деформируемости твердого скелета, так и от его геометрии, которая может быть как упорядоченной, так и неупорядоченной (подробное освещение как этого, так и многих других вопросов можно найти, например, в книге [4]). Из двух классов неупорядоченных сред: (1) микроскопически неупорядоченных, но макроскопически однородных и (2) микроскопически неупорядоченных и макроскопически неоднородных - в задачах, представленных в данной диссертации, рассматриваются среды первого типа, причем скелет будет также полагаться макроскопически изотропным и недеформируемым.

Закон Дарси. При протекании однофазной жидкости через макроскопически однородную изотропную пористую среду во многих реалистичных ситуациях инерционные эффекты несущественны и справедлив закон Дарси:

1.1) где (у^, rj и р - скорость фильтрации, динамическая вязкость и плотность жидкости, соответственно, К - проницаемость, Р - давление и д - поле массовых сил. Одномерная версия этого уравнения была открыта Дарси экспериментально в 1856 году. Один из примеров строгого теоретического вывода этого закона можно найти в работе [5], где окончательный результат, приведенный в тензорном виде:

-для случая макроскопически изотропной среды принимает вид (1.1).

Использование уравнения (1.1) в качестве закона сохранения импульса понижает порядок дифференциальных уравнений относительно производных по пространственным координатам по сравнению со случаем течений в однородной вязкой жидкости (без твердого скелета). Это находит свое отражение, в том числе, и в изменении граничных условий для поля скорости (например, см. [4]), когда, кроме прочего, условие прилипания на твердой границе теряет смысл, поскольку жидкость точно также прилипает и к стенкам твердого скелета во всем объеме пористой среды.

Тепловая конвекция в слое пористой среды. В диссертации рассматриваются задачи, касающиеся тепловой (либо термоконцентрационной) конвекции в горизонтальном слое пористой среды при вертикальном градиенте температуры в основном состоянии, и настоящий обзор не касается смежных задач (например, о тепловой конвекции в наклонных слоях).

Впервые задача о возникновении тепловой конвекции в слое пористой среды рассматривалась в работе [6], где, фактически, полагались непроницаемые изотермические границы. Затем в работе [7] был рассмотрен другой вариант граничных условий, соответствующий тому, что поверх насыщенного жидкостью пористого слоя налита свободная жидкость. В этом случае верхняя граница становится проницаемой для жидкости, а горизонтальная компонента гра

1.2) диента давления на верхней границе обращается в ноль. Такое "смягчение" граничных условий ожидаемо приводит к понижению порога возбуждения тепловой конвекции и увеличению длины волны критических возмущений.

Для проверки теоретических предсказаний работы [6] было предпринято первое экспериментальное исследование возникновения конвекции в горизонтальном пористом слое [8]. В опытах использовались слои песка, насыщенного различными жидкостями: водой, растворами глицерина, четыреххлористым углеродом. Результаты этих экспериментов отличались от теоретических предсказаний на порядок, хотя качественно зависимость критического градиента температуры от параметров воспроизводилась. Это расхождение было связано с указанной авторами существенной зависимостью вязкости от температуры (разности температур в слое были очень велики), а также некорректным определением температуропроводности системы. Попытки учета зависимости вязкости от температуры и нелинейности профиля температуры привели к некоторому улучшению соответствия теории и эксперимента [9,10], но определение температуропроводности исправлено не было.

В итоге, более аккуратное экспериментальное исследование данного явления (при корректном определении температуропроводности) было проведено в работе [11] и дало результаты, хорошо согласующиеся с теорией.

Здесь следует отметить, что задача о возникновении тепловой конвекции в пористой среде при вертикальном градиенте температуры в основном состоянии существенно зависит от геометрии области: для слоя и горизонтального цилиндра задачи о возбуждении двухмерных конвективных движений при изотермических непроницаемых границах существенно отличаются. Дело в том, что во втором случае в системе имеется косимметрия [1,3], в результате чего при потере устойчивости состояния механического равновесия возникает не конечное количество стационарных решений, а непрерывное однопараметриче-ское множество. Несмотря на то, что нарушение строгой вертикальности градиента температуры в основном состоянии, однородности системы вдоль одного из горизонтальных направлений, неидеальная изотермичность границ и некоторые другие осложняющие факторы должны в реальных системах снимать вырождение, связанное с косимметрией, и разрушать множество стационарных решений, возникновение этого множества удалось пронаблюдать экспериментально [2]. Поведение системы при слабых нарушениях косимметрии также рассмотрено, например, в работах [2,12].

Термоконцентрационная конвекция в слое пористой среды. При конвекции бинарных смесей в пористой среде как и для однокомпонентной жидкости, возможна монотонная неустойчивость стратифицированного состояния, но, дополнительно к тому, конкуренция теплового и концентрационного механизмов неустойчивости может приводить к возникновению колебательной неустойчивости [13,14].

Эффект Соре (термодиффузия, [15]), особенно важный в газах, способен существенным образом влиять на термоконцентрационную конвекцию. В связи с этим имеет смысл выделить две группы задач: (1) задачи о конвекции при двойной диффузии (double diffusion), в которых не учитывается термодиффузия, т.е. влияние составляющей потока концентрации, индуцированной неоднородностью нагрева; (2) задачи с учетом эффекта Соре.

Ранние исследования конвекции при двойной диффузии в пористой среде были сосредоточены главным образом на задаче о возбуждении конвекции в горизонтальном слое. В работах [13,14,16,17,18,19] для исследования возникновения термохалиновой (thermohaline) конвекции производился линейный анализ устойчивости стратифицированного состояния. Критерии возникновения монотонного и колебательного движений были получены авторами этих работ в различных вариантах постановки задачи: для различных граничных условий и моделей жидкости.

Конечно-амплитудная термохалиновая конвекция исследовалась в работе [20], где для предсказания зависимости чисел Нуссельта и Шервуда от управляющих параметров использовались усеченные разложения в ряды Фурье. Комбинированное аналитическое и численное исследование массопереноса конвекцией Бенара при больших числах Рэлея представлено в работе [21], где суммарный массоперенос предсказывался авторами в терминах трех различных законов скейлинга. Работа [22] посвящена исследованию пальцеобразования при двухмерной конвекции, связанной с двойной диффузией, в горизонтальном слое с заданным пространственным периодом структуры (приняты периодические боковые граничные условия). На плоскости теплового и концентрационного чисел Рэлея были найдены границы устойчивости, разделяющие области параметров с различными типами конвективного движения (стационарное паль-цеобразование, периодическая конвекция, нерегулярная конвекция). Недавно, обусловленная двойной диффузией конвекция в горизонтальном слое пористой среды исследовалась в работе [23] при вертикальном градиенте температуры и концентрации в основном состоянии. Неустойчивости к монотонным и колебательным возмущениям были исследованы аналитически в рамках линейной и нелинейной теорий возмущений, и была предсказана возможность жесткого возбуждения конвективных движений.

В задачах о термоконцентрационной конвекции с учетом эффекта Соре градиенты концентрации компонент в стратифицированном состоянии не навязываются особыми граничными условиями для концентрации, как при двойной диффузии, а обычно являются следствием навязанного градиента температуры и эффекта термодиффузии, в отсутствии которого концентрация была бы однородной. В работах [24,25] исследовано влияние сил концентрационной плавучести, вызванных эффектом Соре, на конвективную неустойчивость жидкой смеси в пористой среде при подогреве, обеспечиваемом изотермическими граничными условиями. Были получены результаты, касающиеся возбуждения конвективных движений и нелинейных режимов конвекции. Было показано, что количество независимых параметров, определяющих поведение системы, может быть сокращено: достаточно числа Рэлея и отношения плавучести. Было показано, что в зависимости от величины и знака отношения плавучести потеря устойчивости стратифицированного состояния может происходить в первую очередь либо монотонно, либо колебательно. Та же задача была рассмотрена в работе [18] с учетом не только эффекта Соре, но и термодинамически сопряженного ему диффузионного термоэффекта Дюфора (поток тепла индуцируется неоднородностью концентрации). Влияние эффекта Соре на линейную устойчивость жидкой смеси в пористой среде при периодически меняющемся со временем градиенте температуры было исследовано в работе [26]. Авторами определялся порог возбуждения двухмерной конвекции как для колебательной, так и для монотонной мод. Позже возбуждение конвекции, вызванной эффектом Соре, в бесконечном горизонтальном слое, подогреваемом изотермически снизу и сверху, было рассмотрено в работе [27]. Порог линейной устойчивости определялся в терминах отношения плавучести, числа Льюиса и нормированной пористости среды. Аналитически и численно было получено, что в зависимости от отношения плавучести состояние механического равновесия теряет устойчивость либо через вилочную бифуркацию, либо через бифуркацию Хоп-фа.

Наиболее близкой задачам первой и второй глав оказывается работа [28], где аналитически и численно исследуется конвекция бинарной смеси в горизонтальном слое пористой среды. В этой работе полагаются заданный тепловой поток через горизонтальные границы и адиабатические непроницаемые боковые границы (рассматриваются большие аспектные соотношения, делающие эту задачу эквивалентной задаче о конвекции в слое). Рассматриваются два способа создания неоднородностей концентрации: (1) навязывание постоянного потока примеси через горизонтальные границы в случае двойной диффузии или (2) за счет неоднородностей поля температуры при учете эффекта Соре. Рассмотрена линейная устойчивость стратифицированного состояния в слое. Определены пороги возбуждения конечно-амплитудных стационарных и колебательных конвективных течений. В приближении плоскопараллельного течения найдены аналитические решения уравнений в стационарном случае (исходно рассматриваемая система ограничена в горизонтальном направлении, и плоскопараллельное течение реализуется только вдали от боковых границ). На основе этих аналитических результатов оцениваются критические значения числа Рэ-лея для мягкого и жесткого возбуждения конвекции. Для установления точки бифуркации Хопфа исследуется линейная устойчивость плоскопараллельных течений. Представленные в работе результаты численного интегрирования полной нелинейной системы уравнений конвекции бинарной смеси хорошо согласуются с аналитическими результатами.

В контексте исследований, проведенных в первой и второй главах диссертации, следует отметить, что в работе [96] для длинноволновых возмущений была выявлена пропорциональность характерных времен эволюции квадрату длины волны возмущений. В свете этого становится очевидным, что при рассмотрении плоскопараллельных течений, соответствующих бесконечной длине волны, невозможно отличить решения, являющиеся предельным случаем колебательных возмущений, от решений, соответствующих монотонным возмущениям. Это накладывает существенные ограничения на информативность результатов, приведенных в работе [28] в связи с плоскопараллельным приближением.

Кроме того, в работе [28] задача о линейной устойчивости состояния механического равновесия решена до конца лишь для случая двойной диффузии, но не для случая конвекции, вызнаной эффектом Соре.

Для полноты представления о положении исследований в данной области имеет смысл упомянуть работы [29,30,31,32,33], независимо появившиеся после подготовки работы [96]. В работе [29] сопоставляются результаты исследований, аналогичных [28,30] ([30] можно рассматривать как продолжение [28], покрываемое работой [29]), для конвекции в отсутствие твердого скелета и в пористой среде, проводится до конца анализ линейной устойчивости состояния механического равновесия при эффекте Соре, незавершенный в [28], и отмечается (как и в [96]) рост характерных времен эволюции возмущений по мере роста их длины волны. Однако, для аналитического исследования в этой и остальных процитированных здесь работах по-прежнему используется приближение плоскопараллельного течения. В работах [31,32] по сравнению с [28,30] рассматривается случай неплотной упаковки пористого скелета; при этом в [31] верхняя граница слоя полагается свободной, а в [32] - непроницаемой. В работе [33] проводится сравнительное исследование влияния эффекта Соре на течения и процессы тепло- и массопереноса при различных граничных условиях для течений: свободных и непроницаемых границах.

Длинноволновое приближение. При фиксированном тепловом потоке через границы горизонтального слоя оказывается возможна длинноволновая конвективная неустойчивость состояния механического равновесия как в случае пористой среды, так и в однородной жидкости (см., например, [4,34,35]). В некоторых обстоятельствах длинноволновые возмущения могут быть критическими. Причем длинноволновая неустойчивость сохраняется и при термоконцентрационной конвекции, когда при фиксированном тепловом потоке дополнительно либо навязывается заданный поток примеси при двойной диффузии, либо непроницаемые для примеси граничные условия при термоконцентрационной конвекции, вызванной эффектом Соре (как это, например, было показано в работах [28,29,30,31,32,33,96]).

Помимо приближения плоскопараллельного течения, об использовании которого в цитируемых здесь работах уже упоминалось, для описания длинноволновой конвекции можно строить приближенные теории, учитывающие конечность длины волны возмущений и позволяющие отследить эволюцию длинноволновых структур. В работе [36] исследуется отбор структур при околокритической длинноволновой тепловой конвекции в слое однородной жидкости; подобные же уравнения описывают конвекцию в слое турбулентной жидкости [37].

В первой и второй главах данной диссертации выводятся и используются уравнения длинноволновой термоконцентрационной конвекции, вызванной эффектом Соре, в слое пористой среды при заданном вертикальном потоке тепла через слой [96,97]. Причем, в отличие от, например, работ [36,37], используемые уравнения справедливы при произвольной, а не малой надкритичности. Для подтверждения обоснованности использования длинноволнового приближения в первой главе исследуется линейная устойчивость стратифицированного состояния по отношению к возмущениям произвольной длины волны. В результате, для монотонной моды доказывается строго, а для колебательной демонстрируется, что длинноволновые возмущения всегда являются наиболее опасными.

Параметрическое возбуяедение термоконцентрационной конвекции.

В связи с колебательной модой термоконцентрационной неустойчивости, вызванной эффектом Соре, представляет интерес параметрическое возбуждение конвекции. Причем, поскольку характерные времена эволюции возмущений пропорциональны квадрату длины волны, для длинноволновых возмущений резонансными оказываются медленные частоты, которые и рассматриваются в первой главе диссертации.

Вибрационное воздействие на гидродинамические системы (включая термоконвективные) имеет самые разнообразные приложения: например, вибрационный контроль процессов тепло- и массопереноса в теплообменниках, смесителях, сепараторах минеральных веществ и системах для выращивания кристаллов. Эти приложения обусловили большой теоретический интерес к задачам о тепловой конвекции при периодической модуляции параметров во времени (например, вибрациях) и множество работ. Общее представление об исследованиях в данной области можно составить на основе, в первую очередь, монографии [38], а основные ранние исследования такого типа отражены, например, в обзоре [39] и монографиях [34,35].

Среди более поздних и близких к задачам, представленным в данной диссертации, работ следует остановиться на работах, посвященных исследованию влияния модуляции параметров на термоконцентрационную конвекцию в горизонтальном слое [40,41,42,43]. В работе [40] исследуется возникновение термоконцентрационной конвекции, вызванной двойной диффузией, в слое пористой среды, температура верхней границы которого периодически меняется во времени. С использованием теории Флоке показано, что модуляция может понижать критическое значение теплового числа Рэлея. Однако, ни при каких из рассматривавшихся значений параметров модуляция нагрева не приводила к стабилизации стратифицированного состояния.

В работе [41] рассматривается влияние высокочастотных вертикальных вибраций на конвекцию, обусловленную двойной диффузией, в двухмерной прямоугольной полости с фиксированными разностями температуры и концентрации между горизонтальными границами. Определены границы линейной устойчивости стратифицированного состояния по отношению к монотонным и колебательным возмущениям. В отличие от модуляции нагрева [40], модуляция силы тяжести может как понижать порог возбуждения конвективных движений при одних значениях параметров, так и повышать его при других. Также проанализировано влияние вибраций на структуру течений вблизи бифуркации. Определено, в каких диапазонах параметров возбуждение конвекции происходит жестко, а в каких - мягко. Для проверки и иллюстрации аналитических результатов было произведено прямое численное моделирование.

Авторы работы [42] вновь возвращаются к линейному анализу устойчивости стратифицированного состояния в задаче о периодической модуляции температуры границы пористой среды, насыщенной бинарной смесью. Однако, в этой работе рассматривается анизотропная пористая среда и учитываются инерционные слагаемые в законе сохранения импульса. При малых амплитудах и умеренных частотах модуляции критические число Рэлея и волновой вектор вычисляются аналитически. Обнаружено, что соответствующим выбором частоты модуляции можно как понизить, так и повысить порог линейной устойчивости системы.

Единственной работой (помимо [96]), в которой рассматривается термоконцентрационная конвекция, вызванная эффектом Соре, в пористой среде при модуляции параметров, является работа [43]. В этой работе вибрационное воздействие полагается высокочастотным. Аналитическое и численное исследования выявили, что вертикальные вибрации оказывают стабилизирующее воздействие как на монотонную, так и на колебательную моды неустойчивости стратифицированного состояния, а горизонтальные - дестабилизирующее.

Таким образом, вопрос о резонансном параметрическом возбуждении термоконцентрационной конвекции, вызванной эффектом Соре, в пористой среде, не освещен в доступной литературе.

Источниковые решения. В связи с тепловой конвекцией особый интерес вызывает развитие конвективных течений от локализованных источников тепла. Для однородной жидкости в различных вариантах постановки задачи рассматривался конвективный факел как от точечного источника в бесконечной среде, так и от горизонтального линейного. Среди недавних работ, представляющих интересные результаты и краткие обзоры состояния исследований соответствующих проблем, можно отметить работы [44,45], где рассматривается конвективный факел при малых числах Грасгофа около точечного/сферического и линейного/цилиндрического источников тепла, соответственно, и работу [46], где рассматривается линейный источник тепла при числах Рэлея в диапазоне 104-108.

Исследования конвективного факела от точечного или линейного источника тепла в неограниченном массиве пористой среды впервые было представлено в работе [47]. В приближении пограничного слоя были получены самоподобные стационарные решения, предполагавшие достаточно большие значения числа Рэлея. Вопрос об обоснованности погранслойного приближения для задачи такого типа был подвергнут ревизии в [48]. Позже, в работе [49] было продемонстрировано, что, несмотря на критику, приведенную в [48], погранс-лойное приближение может быть использовано для исследования термоконвективных течений от точечного источника тепла в пористой среде. Самоподобные решения задачи об осесимметричном конвективном факеле в пористой среде, полученные в погранслойном приближении, представлены также в [50], а конвекция от горизонтального линейного источника была дополнительно аналитически исследована в работе [51]. В связи с тем, что при больших числах Рей-нольдса, связанных с масштабом пор, приближение Дарси становится недействительным, в работе [52] для описания конвекции от точечного источника тепла использована модель Форхаймера. В работе [53] рассматривается как свободная, так и вынужденная конвекция в окрестности линейного источника тепла или нагреваемого цилиндра.

Единственной работой, посвященной термоконцентрационной конвекции от источника тепла в пористой среде, является работа [54], в которой рассматривается двойная диффузия вокруг горизонтального линейного источника в неограниченном объеме.

В работе [97] рассматриваются источниковые течения другого типа - это течения от локализованного источника тепла или примеси в тонком слое пористой среды, а не в неограниченном пространстве. Причем, эффективно, благодаря конвективной неустойчивости, процессы переноса, исследуемые в [97], могут рассматриваться как процессы в активной среде, в то время, как в приведенных выше примерах среда всегда диссипативная. Соответствующему исследованию посвящена вторая глава диссертации. Можно также отметить, что оказывающиеся возможными режимы течения, при которых области длинноволнового течения вблизи источника и на бесконечности разделены кольцами коротковолнового переходного течения, не являются уникальными в своем роде. Другим примером такого рода локализованных переходных режимов течения является гидравлический скачок, возникающий при растекании струи жидкости по горизонтальной поверхности [55].

Локализация течений в горизонтальном слое при случайно неоднородном нагреве. Впервые локализация решений при случайной пространственной модуляции параметров распределенной системы рассматривалась в квантово-механических системах. А именно, Андерсон (Anderson) в работе [56] рассматривал теоретическую модель, описывавшую такие проблемы, как диффузия спинов, наблюдавшаяся в экспериментах [57] (в меньшей степени, теория Андерсона отвечала исследованиям [58,59]), или проводимость (последняя проблема затрагивается в контексте возможности возникновения связанных состояний электронов) в полупроводниках при наличии случайно распределенных примесей. В связи с этим, за эффектами локализации в системах со случайной модуляцией параметров закрепилось название "локализация Андерсона".

Классическим вариантом математической постановки задачи о локализации Андерсона является пространственно-дискретное уравнение Шредингера для частицы в случайном потенциале:

-(А^+и^^ЕЦ, (1.3) где j - вектор, компонентами которого являются целые числа, ф-, - амплитуда волновой функции электрона в окрестности j -го узла кристаллической решетки, Ad - дискретный оператор Лапласа в пространстве соответствующей размерности, U-j - потенциал кристаллической решетки, полагается случайной гауссовской величиной, значения в соседних узлах независимы, Е - энергия данного состояния электрона. Аккуратное математическое исследование локализации решений задачи (1.3) может быть найдено в работе [60]. Среди результатов этих работ следует отметить, что для гуссовского шума в одномерном случае оказываются локализованы состояния с любой энергией, в то время как в двух- и трехмерных случаях возможны как локализованные, так и нелокали-зованные состояния.

Другим классическим вариантом постановки задачи является стационарное уравнение Шредингера в непрерывном пространстве, но с потенциалом в виде 6 -коррелированного шума. Подробное исследование такой задачи представлено в монографии [61] (а в монографии [62], например, можно найти исследование аналогичной, до некоторой степени, по духу своей математической постановки задачи о распространении света в случайно неоднородной среде). Для описания свойств локализации решений в одномерном случае в [61] рассматривается показатель экспоненциального роста (показатель локализации), который фактически является показателем Ляпунова, определяющим скорость асимптотического (на больших расстояниях) экспоненциального роста возмущений решения в стохастическом дифференциальном уравнении по мере движения в пространстве при заданной реализации шума.

Задача об отыскании показателя локализации (показателя Ляпунова) даже для стационарного уравнения Шредингера с потенциалом в виде белого (6-коррелированного) гауссовского шума требует решения уравнения Фоккера-Планка для логарифмической производной волновой функции и оказывается достаточно громоздкой. Если линейное дифференциальное стохастическое уравнение имеет порядок выше второго, то уравнение Фоккера-Планка следует решать в многомерном пространстве (логарифмическая производная и некоторые другие характеристики состояния системы) - аналитическое решение этой задачи в обобщенном случае невозможно. Однако, показатель Ляпунова может быть оценен, при помощи показателей роста моментов полей, осредненных по реализациям шума, подобно тому, как это было сделано в работе [63]. Для аналитического вычисления последних можно использовать результаты монографии [62] для линейных дифференциальных уравнений с белым шумом в коэффициентах.

Для полноты представления о состоянии исследований в данной области можно отметить, что локализация Андерсона возможна не только при случайной модуляции параметров, но и при квазипериодической, как это было показано, например, в работах [64,65].

Вслед за квантово-механическими системами, локализация Андерсона наблюдалась и исследовалась в других областях. Например, в обзорной работе [66], где представлен обширный разбор акустических проблем, аналогичных проблемам физики конденсированного состояния вещества, отдельное внимание уделяется локализации Андерсона в акустических системах. В работе [67] представлены простейшие варианты экспериментов по одномерной и многомерной локализации Андерсона (дискретного случая) в акустических системах. В теоретических работах [68,69] исследуются более сложные варианты системы, использованной в [67] для наблюдения одномерной локализации Андерсона: добавляется беспорядок в силе связи между элементами. В работе [70] рассматривается многомерная локализация Андерсона в непрерывной акустической системе (локализация ультразвуковых волн).

При этом упоминания задач о пространственной локализации конвективных течений на данный момент в литературе не встречается, хотя задачи такого типа могут представлять интерес, например, по причине того, что в реальных системах невозможно полностью избежать случайных пространственных неод-нородностей. В этой связи, в третьей главе диссертации рассматривается тепловая конвекция в тонком горизонтальном слое пористой среды со случайной стационарной пространственной неоднородностью нагрева [98], обеспечиваемого посредством заданного потока тепла через слой. Как было отмечено выше, в таких условиях в системе при однородном нагреве возможна длинноволновая неустойчивость, и система рассматривается именно в длинноволновом приближении. Представлен вывод уравнений длинноволновой конвекции вблизи порога устойчивости при стационарной неоднородности нагрева (другой пример уравнений длинноволновой конвекции при пространственно неоднородном нагреве можно найти в работе [72]).

Ранее, в работе [73], исследовалось влияние случайной неоднородности локальной надкритичности на порог устойчивости в одномерном уравнении Ландау-Гинзбурга, но свойства локализации решений в линеаризованном варианте этой системы не отличаются от таковых в стационарном уравнении Шре-дингера с потенциалом в виде белого гауссовского шума, описанных в [61]. Гидродинамическая система, фигурирующая в третьей главе, описывается уравнением, линеаризация которого может быть сведена к упомянутому уравнению Шредингера лишь в отсутствии горизонтального прокачивания жидкости через слой. Кроме того, есть существенная разница в наблюдаемости эффектов, связанных с формальными свойствами уравнений, описывающих разные по своей природе системы.

В свете всего вышеперечисленного, третья глава диссертации была посвящена анализу вопроса об интерпретации локализации формальных решений линеаризованного варианта уравнений, описывающих тепловую конвекцию в тонком слое при случайно неоднородном нагреве, исследованию влияния на эти свойства прокачивания жидкости и наблюдению проявления этих свойств в исходной нелинейной системе.

Синхронизация нелинейных систем общим шумом. В теории стохастических процессов широко распространены ситуации, требующие осреднения по реализациям шума. При этом имеется два классических круга задач, связанных с осреднением вдоль траектории системы при заданной реализации шума. Количественное описание явлений, наблюдаемых в этих задачах, в той или иной степени фактически связано с вычислением показателей Ляпунова. Для фигурирующих в таких задачах стохастических систем показатели Ляпунова определяются в том смысле, что они описывают эволюцию малых возмущений траектории системы при заданной реализации шума, т.е. описывают устойчивость отклика не к возмущениям шума, а к возмущениям траектории системы.

Первый круг задач связан с явлениями локализации в распределенных системах со случайной пространственной модуляцией параметров - задача такого типа рассматривается в третьей главе. Второй круг задач упомянутого типа связан с синхронизацией нелинейных систем общим шумом, и некоторым общим результатам относительно этого явления посвящена четвертая глава диссертации.

Основным эффектом при воздействии шума на периодические автоколебания является появление диффузии фазы: автоколебания становятся неидеальными [74,75]. Однако шум может играть и упорядочивающую роль, в частности синхронизовать автоколебания. Если на две одинаковые (или слабо отличающиеся) автоколебательные системы действует общий шум, то их состояния могут под действием этого шума синхронизоваться. Этот эффект определяется знаком максимального показателя Ляпунова, при периодических автоколебаниях он отвечает направлению вдоль предельного цикла. Для автономных систем он нулевой, и синхронизации в описанном выше смысле нет. Под действием шума показатель Ляпунова может стать отрицательным, что означает синхронизацию.

Эффекты, связанные с проявлением синхронизации нелинейных систем под действием общего внешнего шума, в различных областях науки фигурируют под разными названиями. В нейрофизиологии используется понятие "надежности" ("reliability") нейронов [76,77,78,79], подразумевающее способность нейрона давать идентичный выходной сигнал при повторных подачах одной и той же предварительно записанной реализации случайного входного сигнала. В недавних экспериментах с Nd:YAG (неодим:иттрий гранат алюминия) лазерами [80,81] аналогичное свойство упоминалось как "устойчивость" ("consistency"). Если для воздействия используется не стохастический шум, а хаотический сигнал, говорится об обобщенной синхронизации (generalized synchronization) [82, 81].

Впервые задача о синхронизации идентичных систем общим внешним шумом была рассмотрена в работах [83,84], где рассматривался слабонелинейный квазигармонический автогенератор с шумом в виде случайной последовательности импульсов. Было установлено, что слабый шум синхронизует колебания (показатель Ляпунова отрицателен), а достаточно сильный - десин-хронизует (показатель Ляпунова положителен). Позднее в таком смысле синхронизация нелинейных систем общим внешним шумом рассматривалась в книге [85] и работах [86,87,88,89,90].

В работе [99] и появившихся следом, независимо друг от друга, работах [91,100] авторы обращаются к автоколебательным динамическим системам общего положения с белым гауссовским шумом и исследуют их в рамках фазового приближения [92]. В рамках этого приближения оказываются возможными только отрицательные значения показателя Ляпунова, в то время, как в работах [83,84,93] демонстрируется возможность возникновения положительных показателей Ляпунова для стохастических систем. Действительно, в автоколебательных (в отсутствие шума) системах при умеренных интенсивностях шума в некоторых случаях также наблюдаются положительные значения показателя Ляпунова как для белого гауссовского шума [101,103], так и для телеграфного [102].

Общая характеристика работы

Содержание и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В ведении представлен обзор литературы, содержание и основные цели данной работы.

Заключение

Глава 1: Параметрическое возбуждение термоконцентрационной конвекции в слое пористой среды

В первой главе исследована термоконцентрационная конвекция бинарной смеси в подогреваемом снизу горизонтальном слое пористой среды при наличии модуляции поля тяжести. Для случая фиксированного теплового потока через границы с учетом эффекта Соре выведены уравнения, описывающие нелинейную динамику длинноволновых структур при конечной надкритичности.

Аналитически исследована линейная устойчивость состояния механического равновесия по отношению к длинноволновым возмущениям в отсутствии модуляции: найдены границы монотонной и колебательной неустойчивостей. Для проверки обоснованности использования длинноволнового приближения исследована линейная устойчивость системы по отношению к возмущениям конечной длины. Это исследование показало, что длинноволновые возмущения, действительно, являются самыми опасными.

Построенная в линейном приближении для длинноволновых возмущений теория показала, что длина волны возмущения в отсутствии модуляции определяет лишь характерный масштаб временной эволюции возмущения, а не ее характер. В результате, задачи о конечной области, когда спектр волновых чисел дискретен, и бесконечной, когда спектр непрерывен, оказываются существенно различными. Влияние модуляции исследовано аналитически для малых амплитуд модуляции: рассмотрены изменение монотонного уровня и первые три резонанса - и численно для конечных амплитуд. То и другое выполнено как для дискретного, так и для непрерывного спектров волновых чисел.

Оказалось, что параметрическое воздействие не оказывает влияния на модули комплексных мультипликаторов возмущения с фиксированной длиной волны (центральное многообразие системы двумерно), а влияет лишь на границы области параметров, где эти мультипликаторы остаются комплексными. В результате, устойчивость системы по отношению к квазипериодическим колебаниям возмущения с данной длиной волны не зависит от амплитуды модуляции - дестабилизация связана исключительно с резонансами и монотонной неустойчивостью немодулированной системы.

При дискретном спектре граница устойчивости системы может определяться для сколь угодно малых амплитуд модуляции резонансами как первого порядка, так и старших, а при непрерывном спектре и малой модуляции параметрическая дестабилизация колебательного уровня определяется резонансом исключительно первого порядка.

Для некоторых значений параметров системы монотонный уровень неустойчивости может дестабилизироваться модуляцией. При этой дестабилизации наиболее опасными оказываются однородные возмущения при непрерывном спектре, а при дискретном - возмущения с наибольшей возможной длиной волны. Стабилизация монотонного уровня невозможна ни при дискретном, ни при непрерывном спектрах волновых чисел.

Глава 2: Термоконцентрационная конвекция в слое пористой среды от источников тепла или примеси

Во второй главе исследованы нелинейные режимы стационарной термоконцентрационной конвекция бинарной смеси в тонком слое пористой среды при наличии внутреннего источника примеси или тепла.

Обнаружено, что решения определяются локальными характеристиками потоков (тепла и примеси), а структура источника и то, как он организован, не влияют на течение в конкретной точке пространства: это течение полностью определяется интенсивностью источника. Найденные решения справедливы, начиная с некоторого конечного удаления от источника, которое при слабом источнике может быть малым - порядка толщины слоя.

Выяснено, что в случаях, когда стационарное течение устойчиво, области длинноволнового течения могут быть разделены одним или несколькими кольцами переходного течения.

Кроме того, оказалось, что в случае локализованного источника примеси, ее вынос из непосредственной окрестности источника осуществляется преимущественно конвективным образом. В тоже время, для локализованного источника тепла возможны два типа режимов: с преимущественно конвективным и преимущественно диффузионным механизмами выноса тепла из окрестности источника. В некоторых случаях между этими режимами с разными механизмами выноса тепла возможна мультистабильность.

Глава 3: Локализация течений в горизонтальном слое при случайно неоднородном нагреве

В третьей главе рассмотрена двухмерная тепловая конвекция жидкости в тонком горизонтальном слое со случайной стационарной неоднородностью нагрева, обеспечиваемой фиксированным потоком тепла поперек слоя.

Выведены уравнения, описывающие нелинейные режимы длинноволновой конвекции при неоднородном нагреве.

При неоднородности, моделируемой белым гауссовским шумом, в системе при средней величине потока тепла ниже критического значения для однородного слоя возможны локальные превышения критического значения теплового потока, приводящие, как показано, к возбуждению локализованных течений, изучению свойств которых и посвящена данная глава диссертации.

Исследованы свойства локализации нелинейных течений и влияние на них прокачивания жидкости в горизонтальном направлении. Обнаружено, что прокачивание приводит к локализации не только течений, но и возмущений поля температуры. Вычислены показатели локализации в направлении по потоку прокачивания и против. Аналитически определен показатель роста среднеквадратичных значений, дающий оценку показателей локализации, определяемых численно.

В соответствии с предсказаниями теории, численное интегрирование полной нелинейной системы выявило радикальное влияние прокачивания на свойства локализации в направлении против потока прокачивания: длина локализации при малых конечных скоростях прокачивания может увеличиваться на порядок.

Глава 4: Синхронизация нелинейных систем общим шумом

В четвертой главе исследована возможность синхронизации одинаковых автоколебательных динамических систем посредством воздействия общим внешним шумом (там, где это не оговорено, идет речь о белом гауссовском шуме).

Количественной характеристикой способности систем синхронизоваться является показатель Ляпунова, соответствующий возмущениям вдоль фазовой траектории динамической системы. В фазовом приближении задача его отыскания решена аналитически в квадратурах для случаев одного и нескольких независимых шумовых сигналов.

В качестве примеров систем, соответствующих первому и второму случаям, рассмотрены задачи о влиянии одного и двух независимых линейно поляризованных однородных шумов на синхронизацию систем с предельным циклом, имеющим близкую к окружности форму, и примерно постоянный на этом цикле модуль скорости фазового потока.

Для обоих рассмотренных примеров шум может приводить только к синхронизации, поскольку показатель Ляпунова отрицателен. Аналогичный вывод следует и из общего асимптотического выражения, справедливого для любых систем в пределе малого шума. Причем в этом пределе предположение о гаус-совости является излишним, поскольку вклад старших кумулянтов шумового сигнала (гауссовость используется для их устранения) в значения интересующих нас величин пропорционален старшим степеням интенсивности шума. Сами же асимптотические значения показателя Ляпунова в этом пределе прямо пропорциональны интенсивности шума и обратно пропорциональны частоте автоколебаний.

В ситуациях, когда фазовое приближение не справедливо (при конечной интенсивности шума и небольшой устойчивости предельного цикла) аналитическое исследование поведения систем в общем случае оказывается невозможно и требуется численный счет, который для некоторых систем (например, осциллятора Ван дер Поля-Дюффинга) обнаружил возможность появления положительного показателя Ляпунова, т.е. десинхронизацию колебаний.

В упомянутых случаях отдельное внимание уделено неидеальным ситуациям: когда имеется ансамбль идентичных осцилляторов, находящихся под воздействием слегка отличающихся шумов (внутренний шум), или ансамбль слегка отличающихся осцилляторов под действием идентичного шума. При малом шуме, когда показатель Ляпунова отрицателен, и малых неидентичностях (в шуме или параметрах) задачи допускают аналитическое исследование в рамках фазового приближения.

Оказывается, что при неидентичности в параметрах, характерные отклонения состояний систем пропорциональны расстройке частот и обратно пропорциональны модулю показателя Ляпунова, а при дополнительном индивидуальном шуме - пропорциональны амплитуде индивидуального шума и обратно пропорциональны корню из модуля показателя Ляпунова.

Найдены распределения разностей фаз осцилляторов. В обоих случаях эти распределения имеют степенные асимптоты, свидетельствующие о перемежаемости между эпохами синхронного и асинхронного поведения при сколь угодно малых неидентичностях.

Результаты численного счета для конкретных систем при конечных интенсивностях шума обнаружили тот же характер соотношения между степенью синхронности поведения систем с малой неидентичностью и показателем Ляпунова, что и в аналитической теории.

Для выяснения существенности роли специфических свойств рассматривавшегося шума (гауссовость и 8-коррелированность) рассмотрен случай существенно иного шума: телеграфного.

Вновь оказалось, что при малом шуме или частых переключениях показатель Ляпунова отрицателен, а в некоторых системах при умеренной интенсивности шума может происходить десинхронизация колебаний.

В тоже время, для некоторых систем фазовое описание дает адекватные результаты даже при умеренных значениях интенсивности шума и среднего времени переключений. Зависимость показателя Ляпунова от параметров шума (амплитуды и среднего времени переключений) не обнаруживает каких-либо следов таких зависимостей, соответствующих периодическому воздействию.

Поведение отклонений в состояниях систем при малых неидентичностях и амплитудах шума для телеграфного шума не отличается от такового для белого гауссовского шума.

1. Любимов Д.В. О конвективных движениях в пористой среде, подогреваемой снизу// ПМТФ, № 2, 1975. С. 131-137.

2. Глухов А.Ф., Любимов Д.В., Путин Г.Ф. Конвективные движения в пористой среде вблизи порога неустойчивости равновесия // Докл. АН СССР, Т. 238, №3, 1978. С. 549-551.

3. Юдович В.И. Косимметрия, вырождение решений операторных уравнений, возникновение фильтрационной конвекции // Мат. заметки, Т. 49, №5,1991. С. 41-46.

4. Nield D.A. and Bejan A. Convection in porous media. Springer Verlag, New York. 1998. 546 p.

5. Whitaker S. Flow in Porous-Media I: A Theoretical Derivation of Darcy's-Law // Transport in Porous Media, V. 1, №1, 1986. P. 3-25.

6. Horton C.W., Rogers R.T. Convection Currents in a Porous Medium // J. Appl. Phys., V. 16, 1945. P. 367-370.

7. Lapwood E.R. Convection of a Fluid in a Porous Medium // Proc. Camb. Phil. Soc., V. 44, №4,1948. P. 508-521.

8. Morrison H.L., Rogers F.T., Horton C.W. Convection Currents in Porous Media. II. Observation of Conditions at Onset of Convection // J. Appl. Phys., V. 20, №11,1949. P. 1027-1029.

9. Rogers F.T., Morrison H.L. Convection Currents in Porous Media. III. Extended Theory of the Critical Gradient // J. Appl. Phys., V. 21, №11, 1950. P.1177-1180.

10. Rogers F.T., Schilberg L.E., Morrison H.L. Convection Currents in Porous Media. IV. Remarks on the Theory // J. Appl. Phys., V. 22, №12, 1951. P. 1476-1479.

11. Katto Y., Masuoka T. Criterion for Onset of Convective Flow in a Fluid in a Porous Medium // Intl J. Heat Mass Transfer, V. 10, №3, 1967. P. 297-309.

12. Bratsun D.A., Lyubimov D.V., Roux B. Co-Symmetry Breakdown in Problems of Thermal Convection in Porous Medium // Physica D, V. 82, №4, 1995. P. 398-417.

13. Nield D.A. Onset Thermohaline Convection in a Porous Medium // Water Resources Research, V. 4, №3,1968. P. 553-560.

14. Гершуни Г.З., Жуховицкий E.M., Любимов Д.В. О термоконцентрационной неустойчивости смеси в пористой среде // Докл. АН СССР, Т. 229, № 3,1976. С. 575-578.

15. Лифшиц Е. М., Питаевский Л.П. Теоретическая физика. Т. 10. Физическая кинетика. М.: Физ.-Мат. Лит. 2002. 536 с.

16. Taunton J.W., Lightfoot E.N. and Green Т. Thermohaline Instability and Salt Fingers in a Porous Medium // Phys. Fluids, V. 15, №5,1972. P. 748-753.

17. Poulikakos D. Double Diffusive Convection in a Horizontal Sparcely Packed Porous Layer // Intl Commun. Heat Mass Transfer, V. 13, №5, 1986. P. 587598.

18. Taslim M.E. and Narusawa U. Binary Fluid Convection and Double-Diffusive Convection in Porous Medium // J. Heat Transfer, V. 108, №1, 1986. P. 221224.

19. Malashetty M.S. Anisotropic Thermoconvective Effects on the Onset of Double Diffusive Convection in a Porous Medium // Intl J. Heat Mass Transfer, V. 36, №9,1993. P. 2397-2401.

20. Rudraiah N., Shrimani P.K. and Friedrich R. Finite Amplitude Convection in a Two-Component Fluid Saturated Porous Layer // Intl J. Heat Mass Transfer, V. 25, №5, 1982. P. 715-722.

21. Trevisan O.V. and Bejan A. Mass and Heat Transfer by High Rayleigh Number Convection in a Porous Medium Heated from below // Intl J. Heat Mass Transfer, V. 30, №11, 1987. P. 2341-2356.

22. Chen F. and Chen C.F. Double Diffusive Fingering Convection in a Porous Medium // Intl J. Heat Mass Transfer, V. 36, №3, 1993. P. 793-807.

23. Mamou M. and Vasseur P. Thermosolutal bifurcation phenomena in porous enclosures subject to vertical temperature and concentration gradients // J. Fluid Mech., V. 395, 1999. P. 61-87.

24. Brand H.R. and Steinberg V. Convective Instabilities in Binary Mixtures in a Porous Medium // Physica V. 119A, №1-2,1983. P. 327-338.

25. Brand H.R. and Steinberg V. Nonlinear Effects in the Convective Instability of a Binary Mixture in a Porous Medium near Threshold // Phys. Lett. V. 93A, №7,1983. P. 333-336.

26. Ouarzazi M.N. and Bois P.A. Convective Instability of a Fluid Mixture in a Porous Medium with Time-Dependent Temperature // Eur. J. Mech. B-Fluids, V. 13, №3, 1994. P. 275-298.

27. Sovran O., Charrier-Mojtabi M.C. and Mojtabi A. Naissance de la convection thermosolutale en couche poreuse infinie avec effet Soret // C. R. Acad. Sci. Paris, T. 329, S. lib, 2001. P. 287-293.

28. Bahloul A., Boutana N. and Vasseur P. Double-diffusive and Soret-induced convection in a shallow horizontal porous layer // J. Fluid Mech., V. 491,2003. P. 325-352.

29. Bourich M, Hasnaoui M, Mamou M, et al. Soret effect inducing subcritical and Hopf bifurcations in a shallow enclosure filled with a clear binary fluid or a saturated porous medium: A comparative study // Phys. Fluids, V. 16, №3,2004. P. 551-568.

30. Bourich M, Hasnaoui M, Amahmid A, et al. Soret Convection in a Shallow Porous Cavity Submitted to Uniform Fluxes of Heat and Mass // Intl Commun. Heat Mass Transfer, V. 31, №6,2004. P. 773-782.

31. Er-Raki M, Hasnaoui M, Amahmid A, et al. Soret Driven Thermosolutal Convection in a Shallow Porous Layer with a Stress-Free Upper Surface // Engineering Computations, V. 22, №1-2,2005. P. 186-205.

32. Bourich M, Hasnaoui M, Amahmid A, et al. Onset of Convection and Finite Amplitude Flow Due to Soret Effect Within a Horizontal Sparsely Packed Porous Enclosure Heated from below // Intl J. Heat Fluid Flow, V. 26, №3,2005. P. 513-525.

33. Bourich M, Hasnaoui M, Mamou M, et al. Hydrodynamic Boundary Conditions Effects on Soret-Driven Thermosolutal Convection in a Shallow Porous Enclosure // J. Por. Media, V. 8, №5,2005. P. 455-469.

34. Гершуни Г.З., Жуховицкий E.M. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука. 1972. 392 с.

35. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений. М.: Наука. 1989. 320 с.

36. Knobloch E. Pattern selection in long-wavelength convection // Physica D, V. 41, №3,1990. P. 450-479.

37. Аристов C.H., Фрик П.Г. Крупномасштабная турбулентность в конвекции Рэлея-Бенара // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа, №5, 1989. С. 43-48.

38. Gershuni G.Z., Lyubimov D.V. Thermal Vibrational Convection. Wiley. New York. 1998. 372 p.

39. Davis S.H. The Stability of Time Periodic Flows // Annu. Rev. Fluid Mech., V. 8, 1976. P. 57-74.

40. McKay G. Onset of Double-Diffusive Convection in a Saturated Porous Layer with Time-Periodic Surface Heating // Continuum Mech. Thermodyn., V. 10, №4, 1998. P. 241-251.

41. Jounet A., Bardan G. Onset of thermohaline convection in a rectangular porous cavity in the presence of vertical vibration // Phys. Fluids, V. 13, №11, 2001. P. 3234-3246.

42. Malashetty M.S., Basavaraja D. Effect of time-periodic boundary temperatures on the onset of double diffusive convection in a horizontal anisotropic porous layer // Intl J. Heat Mass Transfer, V. 47,2004. P. 2317-2327.

43. Charrier-Mojtabi M.C., Razi Y.P., Maliwan K., Mojtabi A. Influence of Vibration on Soret-Driven Convection in Porous Media // Numer. Heat Tr. A-Appl., V. 46, №10,2004. P. 981-993.

44. Kurdyumov V.N., Linan A. Free convection from a point source of heat, and heat transfer from spheres at small Grashof numbers // Intl J. Heat Mass Transfer, V. 42, №20, 1999. P. 3849-3860.

45. Linan A., Kurdyumov V.N. Laminar free convection induced by a line heat source, and heat transfer from wires at small Grashof numbers // J. Fluid Mech., V. 362, 1998. P. 199-227.

46. Majumder C.A.H., Yuen D.A., Vincent A.P. Four dynamical regimes for a starting plume model // Phys. Fluids, V. 16, №5,2004. P. 1516-1531.

47. Wooding R.A. Convection in a saturated porous medium at large Rayleigh number or Peclet number // J. Fluid Mech., V. 15, №4, 1963, P. 527-544.

48. Yih C.S. Dynamics of Nonhomogeneous Fluids. Macmillan. New York. 1965.

49. Lai F.C. Natural convection from a concentrated heat source in a saturated porous medium // Intl Commun. Heat Mass Transfer, V. 17, №6, 1990. P. 791800.

50. Bejan A., Convection Heat Transfer. 2nd Ed. Wiley. New York. 1995. 652 p.

51. Nakayama A. Free Convection from a Horizontal Line Heat Source in a Power-Law Fluid-Saturated Porous Medium // Intl J. Heat Fluid Flow, V. 14, №3, 1993. P. 279-283.

52. Degan G., Vasseur P. The Non-Darcy Regime for Boundary-Layer Natural Convection from a Point-Source of Heat in a Porous-Medium // Intl Commun. Heat Mass Transfer, V. 22, №3, 1995. P. 381-390.

53. Kurdyumov V.N., Linan A. Free and forced convection around line sources of heat and heated cylinders in porous media // J. Fluid Mech., V. 427, 2001. P. 389^09.

54. Larson S.E., Poulikakos D. Double Diffusion from a Horizontal Line Source in an Infinite Porous Medium // Intl J. Heat Mass Transfer, V. 29, №3, 1986. P. 492-495.

55. Watson EJ. The radial spread of a liquid jet over a horizontal plane // J. Fluid. Mech., V. 20, №3, 1964. P. 481-499.

56. Anderson P.W. Absence of Diffusion in Certain Random Lattices // Phys. Rev., V. 109, №5,1958. P. 1492-1505.

57. Portis A.M. Electronic Structure of F-Centers: Saturation of the Electron Spin Resonance // Phys. Rev., V. 91, №5,1953. P. 1071-1078.

58. Bloembergen N. On the Interaction of Nuclear Spins in a Crystalline Lattice // Physica, V. 15, №3-4, 1949. P. 386-426.

59. Portis A.M. Spectral Diffusion in Magnetic Resonance // Phys. Rev., V. 104, №3,1956. P. 584-588.

60. Frohlich J., Spencer T. Absence of Diffusion in the Anderson Tight Binding Model for Large Disorder or Low Energy // Commun. Math. Phys., V. 88, 1983. P. 151-184.

61. Лифшиц И.М., Гредескул С.А., Пастур Л.А. Введение в теорию неупорядоченных систем. М.: Наука. 1982. 360 с.

62. Кляцкин В.И. Статистическое описание динамических систем с флуктуирующими параметрами. М.: Наука. 1975.

63. Zillmer R., Pikovsky A. Continuous approach for the random-field Ising chain // Phys. Rev. E, V. 72, №5,2005. 056108-7.

64. Grempel D.R., Fishman Sh., Prange R.E. Localization in an Incommensurable Potential: An Exactly Solvable Model // Phys. Rev. Lett., V. 49, №11, 1982. P. 833-836.

65. Bourgain J., Wang W.-M. Anderson Localization for Time Quasi-Periodic Random Schrodinger and Wave Equations // Commun. Math. Phys., V. 248, 2004. P. 429-466.

66. Maynard J.D. Colloquium: Acoustical analogs of condensed-matter problems // Rev. Mod. Phys., V. 73, №2,2001. P. 401-417.

67. He S., Maynard J.D. Detailed Measurements of Inelastic-Scattering in Anderson Localization //Phys. Rev. Lett., V. 57, №25,1986. P. 3171-3174.

68. Лифшиц И.М. ЖЭТФ, Т. 9,1938. С. 959.

69. Ishii К. Localization of Eigenstates and Transport Phenomena in One-Dimensional Disordered System //, Suppl. Prog. Theor. Phys., V. 53, 1973. P. 77-138.

70. Weaver R.L. Anderson Localization of Ultrasound // Wave Motion, V. 12, №2, 1990. P. 129-142.

71. Vlad M.O., Ross J., Schneider F.W. Long memory, fractal statistics, and Anderson localization for chemical waves and patterns with random propagation velocities // Phys. Rev. E, V. 57, №4,1998. P. 4003-4015.

72. Шилов В.П. Длинноволновая неустойчивость Марангони при неоднородном нагреве // ЖЭТФ, Т. 123, №4,2003. С. 816.

73. Hammele М., Schuler S., Zimmermann W. Effects of parametric disorder on a stationary bifurcation // Physica D, V. 218,2006. P. 139-157.

74. Малахов A.H. Флуктуации в автоколебательных системах. М.: Наука. 1968. 660 с.

75. Stratonovich R.L., Topics in the Theory of Random Noise. Gordon and Breach. New York. 1963. 292 p.

76. Bullock Т.Н. The Reliability of Neurons // J. Gen. Physiol., V. 55, №5, 1970. P. 565-584.

77. Allen C., Stevens C.F. An Evaluation of Causes for Unreliability of Synaptic Transmission // Proc. Natl Acad. Sci. USA, V. 91, №22, 1994. P. 1038010383.

78. Mainen Z.F., Sejnowski T.J. Reliability of spike timing in neocortical neurons // Science, V. 268, №5216, 1995. P. 1503-1506.

79. Rao C.V., Wolf D.M., Arkin A.P. Control, exploitation and tolerance of intracellular noise // Nature, V. 420, №6912,2002. P. 231-237.

80. Uchida A., McAllister R., Roy R. Consistency of nonlinear system response to complex drive signals // Phys. Rev. Lett., V. 93, №24,2004. 244102-4.

81. McAllister R, Uchida A, Meucci R, Roy R Generalized synchronization of chaos: experiments on a two-mode microchip laser with optoelectronic feedback // Physica D, V. 195, №3^, 2004. P. 244-262.

82. Abarbanel H.D.I., Rulkov N.F., Suschik M.M. Generalized synchronization of chaos: The auxiliary system approach // Phys. Rev. E, V. 53, №5, 1996. P. 4528-4535.

83. Pikovsky A.S. Synchronization and stochastization of nonlinear oscillations by external noise // in "Nonlinear and Turbulent Processes in Physics", edited by R.Z.Sagdeev, V. 3. Harwood Academic, Singapore. 1984. P. 1601-1604.

84. Pikovsky A., Rosenblum M., and Kurths J. Synchronization: A Universal Concept in Nonlinear Sciences. Cambridge University Press. Cambridge. 2003. 432 p.

85. Yu L., Ott E., Chen Q. Transition to Chaos for Random Dynamical Systems // Phys. Rev. Lett., V. 65, №24,1990. P. 2935-2938.

86. Pikovsky A.S. Statistics of trajectory separation in noisy dynamical systems // Phys. Lett. A, V. 165,1992. P. 33-36.

87. Khoury P., Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Degree of synchronization of noisy maps on the circle // Phys. Rev. E, V. 54, №4, 1996. P. 3377-3388.

88. Baroni L., Livi R., Torcini A. Transition to stochastic synchronization in spatially extended systems // Phys. Rev. E, V. 63, №3,2001. 036226-10.

89. Ritt J. Evaluation of entrainment of a nonlinear neural oscillator to white noise //Phys. Rev. E, V. 68, №4,2003. 041915-7.

90. Teramae J., Tanaka D. Robustness of the noise-induced phase synchronization in a general class of limit cycle oscillators // Phys. Rev. Lett., Y. 93, №20, 2004. 204103-4.

91. Kuramoto Y. Chemical Oscillations, Waves and Turbulence. Dover. New York, 2003. 164 p.

92. Schimansky-Geier L., Herzel H. Positive Lyapunov Exponents in the Kramers Oscillator//J. Stat. Phys., V. 70, №1-2, 1993. P. 141-147.

93. Рытов C.M. Введение в статистическую физику. М.: Наука. 1966.404 с.

94. Yu L., Chen Q., Ott E. Fractal distribution of floaters on a fluid surface and the transition to chaos for random maps // Physica D, V. 53, №1, 1991. P. 102124.

95. Goldobin D.S., Lyubimov D.V., Mojtabi A. Parametrical instability of a conductive state of binary mixture in porous medium // Proc. of Intl Conf. "Advanced problems in thermal convection". Perm. 2004. P. 179-184.

96. Голдобин Д. С., Любимов Д. В. Термоконцентрационная конвекция бинарной смеси в горизонтальном слое пористой среды при наличии источника тепла или примеси // ЖЭТФ, Т. 131, №5,2007. С. 949-956.

97. Голдобин Д.С. Локализация течений в горизонтальном слое при случайно неоднородном нагреве // Изв. Вузов. ПНД, Т. 15, №2,2007. С. 29-39.

98. Goldobin D.S. and Pikovsky A.S. Synchronization of self-sustained oscillators by common white noise // Physica A, V. 351, №1, 2005. P. 126-132.

99. Goldobin D.S. and Pikovsky A. Synchronization and desynchronization of self-sustained oscillators by common noise // Phys. Rev. E, V. 71, №4, 2005. 045201-4.

100. Goldobin D.S. Synchronization of Limit Cycle Oscillators by Telegraph Noise // in "Unsolved Problems of Noise and Fluctuations: UPoN 2005", edited by L. Reggiani et al., AIP Conf. Proc., No. 800(1). AIP, Melville, NY. 2005. P. 394-399.

101. Goldobin D.S. and Pikovsky A. Antireliability of noise-driven neurons // Phys. Rev. E, V. 73, №6,2006. 061906-4.