Ученые из Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН и факультета физики НИУ ВШЭ исследовали, как внешние факторы влияют на турбулентные потоки. Исследователи продемонстрировали, что даже незначительное внешнее завихрение способно стабилизировать систему, увеличивая продолжительность существования крупных вихрей. Полученные данные позволят создавать более точные модели атмосферных и океанических потоков. Работа опубликована в журнале Physics of Fluids.
Турбулентность представляет собой, на первый взгляд, хаотичное движение воздушных и водных масс, возникающее при движении потоков с большой скоростью. В условиях турбулентности потоки жидкости непрерывно перемешиваются, разделяются на части, вихри распадаются на небольшие элементы, порой исчезают, а иногда объединяются в более крупные образования.
Несмотря на то, что ученые определили факторы, вызывающие турбулентные потоки, для описания их поведения и развития требуется применение сложных математических моделей, содержащих большое количество параметров. Для изучения особенностей реальных систем, таких как атмосфера и океаны Земли, исследователи создают упрощенные модели динамики турбулентности, анализируя ее на двумерных поверхностях, а не в трехмерном пространстве.
Законы турбулентности существенно отличаются в трехмерных и двумерных системах. В трехмерных турбулентных потоках энергия передается по прямому каскаду: крупные вихри распадаются на более мелкие, и энергия высвобождается в виде тепла. В плоских системах турбулентность проявляется иным образом. Двумерная структура приводит к тому, что энергия перемещается по обратному каскаду: небольшие вихри объединяются в более крупные.
Научный сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау РАН и Международная лаборатория, специализирующаяся на физике конденсированных сред НИУ ВШЭ Владимир Парфеньев и студентка магистратуры факультета физики НИУ ВШЭ Алиса Шиканиан смоделировали поведение турбулентных вихрей на плоскости. Они изучили динамику жидкости в квадратной ячейке.
Исследователи изучили ситуацию, когда к двумерной системе добавляется постоянный внешний крутящий момент, словно потоки дополнительно закручиваются извне. Анализ показал, что даже незначительное внешнее подкручивание может увеличить продолжительность существования крупных вихрей и стабилизировать работу системы.
С помощью математического моделирования была установлена взаимосвязь между толщиной пограничного слоя у стенок, где происходит рассеяние энергии, и параметрами исследуемой системы. В ходе моделирования скорость жидкости у границ соответствовала результатам лабораторных исследований мыльных пленок, выполненных другими группами: она возрастала при удалении от стенок, следуя определенным закономерностям. Кроме того, в системе формировались крупные вихри, обратный каскад энергии не прекращался и распространялся до предельных размеров системы.
«По мнению научного сотрудника ИТФ имени Л.Д. Ландау РАН и Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ Владимира Парфеньева, ключевым является осознание того, что простого соприкосновения жидкости с стенками недостаточно для предотвращения обратного потока энергии в двумерной системе; вихри жидкости неизбежно объединяются в более крупные образования. В любом случае, энергия в системе накапливается на больших масштабах — именно таким образом из неупорядоченности возникает структурированность.
Исследования, проведенные учеными, углубили знания о механизмах, определяющих формирование крупных структур в двумерной турбулентности, и заложили надежную основу для дальнейших изысканий в этой сфере. Специалисты, работающие в области наук о Земле, смогут применять полученные данные для совершенствования моделей, прогнозирующих океанические и атмосферные потоки.
Исполнение данной работы стало возможным благодаря поддержке Российского научного фонда в рамках проекта 23-72-30006.
Информация предоставлена пресс-службой НИУ ВШЭ