Экспериментальное исследование динамики локализованных областей турбулизованной жидкости и гравитационно-капиллярных волн в поле турбулентных течений

Капустин, Иван Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Экспериментальное исследование динамики локализованных областей турбулизованной жидкости и гравитационно-капиллярных волн в поле турбулентных течений
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование динамики локализованных областей турбулизованной жидкости и гравитационно-капиллярных волн в поле турбулентных течений"

На правах рукописи

КАПУСТИН Иван Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ОБЛАСТЕЙ

ТУРБУЛИЗОВАННОЙ ЖИДКОСТИ И ГРАВИТАЦИОННО-КАПИЛЛЯРНЫХ ВОЛН В ПОЛЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

4852330

Автореферат.

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 5 АВГ 2011

Нижний Новгород 2011

4852330

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук С.А. Ермаков

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор В.В. Жмур (Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН)

доктор физико-математических наук И.А. Соустова

(Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН)

Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН

Защита состоится «03» октября 20Ц г. в Щ0 час. на заседании диссертационного совета Д 002.069.01 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Института прикладной физики РАН

Автореферат разослан 11 августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.ф.-м.н. ^ А. И. Малеханов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Постоянный интерес к проблеме турбулентности в жидкости определяется как высоким уровнем ее фундаментальности, так и важными практическими приложениями в науке и технике. Описание и моделирование турбулентных движений представляет собой сложную и нерешенную к настоящему времени задачу. Большое значение проблема турбулентности имеет для наук о Земле, в частности, для физики атмосферы и океанологии. В океанологии актуальность проблемы связана с необходимостью моделирования процессов вертикального обмена в океане и процессов формирования и разрушения термохалинной структуры [1-3]. Массо- и газообмен в приповерхностном слое моря в значительной степени определяется турбулентностью, генерируемой крутыми поверхностными волнами, в том числе, при их обрушении, а процессы формирования температурной и плотностной стратификации океана не могут быть описаны без учета перемешивания в верхнем слое [2, 3]. Интересные приложения проблемы связаны с механизмами проявления интенсивных внутренних волн на морской поверхности при их обрушении [4]. Другая проблема - возникновение так называемых «холодных аномалий» на морской поверхности, связанных с перемешиванием воды при колебаниях дна и неоднократно наблюдавшихся с использованием средств дистанционного зондирования океана в районах с повышенной сейсмической активностью [5].

Особую актуальность проблема турбулентности приобрела в связи с интенсивным развитием методов дистанционного зондирования Земли и перспективами изучения динамических процессов в океане и атмосфере, в частности, по эффектам их воздействия на поверхностное волнение. Важной частью проблемы дистанционного зондирования является изучение динамики поверхностных гравитационно-капиллярных волн в поле турбулентных течений и механизмов проявления последних на морской поверхности. Анализ таких механизмов позволит отличать зоны турбулентного «выглаживания» волн на изображениях морской поверхности от других вариаций интенсивности поверхностного волнения, обусловленных пленками поверхностно-активных веществ, неоднородными течениями, вариациями приводного ветра и др. [6-11]. При анализе механизмов образования неоднородностей поверхностного волнения важное место занимает изучение турбулентных областей, генерируемых надводными судами [12-15]. Следы судов являются сложными физическими объектами, объединяющими широкий круг задач: турбулентное гашение волн, усиление волн (сулои) на границе следа, формирование слико-вых полос, связанных с поверхностно-активными веществами, движение воздушных пузырьков в следе и т.д. Следы хорошо регистрируются с аэро- и космических носителей и могут нести в себе различную информацию как о характеристиках движущегося судна, так и о гидрометеорологических характеристиках (см., например, [14]).

Взаимодействие поверхностных гравитационно-капиллярных волн с турбулентностью в толще воды представляет собой одну из фундаментальных гидродинамических проблем, решение которой, однако, далеко от завершения. В настоящее время рассматривается несколько возможных механизмов эффекта затухания волн в присутствии турбулентности («размешивание» турбулентностью волновой энергии по вертикали [16], «рассеяние» волн на вихрях [17]), однако в силу значительных трудностей экспериментального исследования эффекта до сих пор не сделано однозначного вывода об условиях, при которых преобладает тот или иной механизм. Экспериментальные трудности связаны прежде всего с созданием лабораторных установок и разработкой новых методов исследования, позволяющих минимизировать влияние краевых течений, возникающих при возбуждении локализованных турбулентных областей и маскирующих эффекты гашения волн.

Поскольку обрушающиеся волны дают значительный вклад в перемешивание в верхнем слое океана [2], наличие таких сильно нелинейных волн на морской поверхности является своеобразным индикатором интенсификации вертикального обмена, которая может быть зарегистрирована средствами дистанционного (в частности, радиолокационного) зондирования [7]. Представляет интерес, поэтому, исследовать, что в гидродинамическом плане представляют собой сами рассеиватели зондирующих радиолокационных сигналов и как меняются характеристики этих сигналов при обрушении поверхностных волн различных диапазонов длин.

Настоящая работа представляет собой комплексное исследование, направленное на решение проблем, связанных с изучением динамики турбулентных слоев в однородной и стратифицированной жидкости, взаимодействия турбулентности с поверхностными волнами, проявления обрушений волн на воде в характеристиках радиолокационных сигналов. Указанные исследования проводились в ходе лабораторных и натурных экспериментов с использованием современного оборудования и ряда оригинальных методик. В работе представлены результаты теоретического анализа динамики турбулентного слоя на основе полуэмпирической теории турбулентности, а также результаты натурных экспериментов по исследованию динамики турбулентных зон (на примере следа надводного судна), связанных с ними средних течений и их поверхностных проявлений.

Цель и задачи исследования

Основной целью настоящей работы является изучение динамики турбулентных слоев в жидкости и взаимодействия турбулентности с поверхностными волнами в присутствии течений.

Конкретные задачи работы:

- Исследование динамики турбулентных слоев в однородной жидкости при различных режимах возбуждения турбулентности, исследование динамики турбулентных слоев в жидкости со стратификацией и эффектов трансформации плотностной структуры под действием турбулентности.

- Изучение затухания поверхностных волн под действием турбулентности.

- Исследование гидродинамических особенностей рассеивателей зондирующих радиолокационных сигналов обрушающимися волнами на воде.

- Исследование динамики зон локализованной турбулентности и механизмов их проявления на взволнованной водной поверхности в натурных условиях.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту

Научная новизна настоящей работы обусловлена оригинальными результатами, полученными в ней:

1. Турбулентные слои в однородной жидкости расширяются со временем по законам, близким к степенным; показатели степени зависят от режима возбуждения турбулентности. Имеют место два основных режима возбуждения турбулентности: непрерывный, при постоянном во времени действии источника турбулентности, и «импульсный», при кратковременном действии источника. Различные режимы удовлетворительно описываются в рамках полуэмпирической теории турбулентности заданием соответствующих граничных и начальных условий. В жидкости со стратификацией реализуются три различных режима: запирания турбулентного слоя, частичного прохождения турбулентности через область скачка плотности, сопровождающегося его обострением, и полного прохождения с разрушением плотностной структуры. Различные режимы могут быть описаны в терминах турбулентного числа Ричардсона.

2. Турбулентность в жидкости приводит к сильному затуханию поверхностных гравитационно-капиллярных волн. Коэффициент затухания волн в турбулизованной жидкости можно определить по порогу параметрического возбуждения волны, и описать в рамках модели турбулентной вязкости.

3. Гидродинамическая природа рассеяния СВЧ-сигнала на сильно нелинейных поверхностных волнах характеризуется существенными различиями в зависимости от диапазона длин волн. Крутые короткие волны см-диапазона рассеивают радиолокационный СВЧ-сигнал за счет генерации связанной (паразитной) ряби, в то время как обрушивающиеся волны метрового диапазона - за счет генерации свободной (квазилинейной) ряби, движущейся в поле орбитальной скорости длинной волны. В промежуточном диапазоне дециметровых волн рассеяние происходит как на связанной, так и на свободной ряби.

4. Турбулентные зоны, возбуждаемые надводными судами, могут описываться как плоские слои турбулизованной жидкости при их «импульсном» возбуждении. Основные особенности проявления следов надводных судов на взволнованной водной поверхности объясняются наличием средних циркуляционных течений в области турбулентного следа.

Научная и практическая значимость работы

Результаты работы могут быть использованы при разработке аппаратуры и построении алгоритмов обработки данных дистанционного зондирования морской поверхности, при создании быстрых алгоритмов основанных на полуэмпирических моделях и создании новых алгоритмов обработки, учитывающих обрушения волн различных диапазонов длин.

Результаты исследования турбулентных зон и средних течений, генерируемых надводными судами, углубляют понимание механизмов поверхностного проявления следа надводного судна на взволнованной водной поверхности и дают возможность развить критерии обнаружения и идентификации судов по их следам, в том числе с целью экологического мониторинга и навигации.

Лабораторный метод изучения затухания волн под действием турбулентности позволяет проводить качественно новые эксперименты по проблеме взаимодействия волн с турбулентностью.

Результаты работы использовались при выполнении проектов РФФИ (фанты 04-05-64763-а, 05-05-64137-а, 07-05-00125-а, 07-05-10030-к, 08-05-00634-а, 08-05-10047-к, 08-05-97011-р_поволжье_а, 09-05-10033-к, 09-05-97019-р_поволжье_а, 10-05-00101-а, 10-05-10045-к, 11-05-00295-а, 11-05-10073-к, 11-05-97027-р_поволжье_а, 11-05-97029-р_поволжье_а), программе ОФН РАН «Проблемы радиофизики», гранта Ведущей научной школы НШ-6043.2006.2 академика В.И. Таланова, программ Министерства образования и науки РФ.

Апробация результатов работы и публикации

Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010), Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 2007, 2008, 2009, 2010), межведомственной конференции «Проявление глубинных процессов на морской поверхности» (Н. Новгород, 2009), международной научной школе «Нелинейные волны» (Н. Новгород, 2008), научной конференции по радиофизике (Н. Новгород, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010, 2011), Всероссийской школе-семинаре «Волны -2010» (Москва, 2010); на семинаре в Норвежском метеорологическом институте (Осло, 2010); на Всероссийском форуме «Великие реки - 2011» (Н. Новгород, 2011). Результаты работы обсуждались на семинарах ИПФ РАН.

Основные результаты диссертации опубликованы в 24 печатных работах из них 4 в реферируемых журналах текущего списка ВАК (Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 2008, 2010; Изв. РАН. Серия физическая, 2010; Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2009) и 1 направлена в печать; 5 статей в сборниках трудов конференций (сборники трудов конференции по радиофизике, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010); 2 препринтах ИПФ РАН (2007,2009); 13 тезисах докладов.

Личный вклад автора

Все результаты диссертации получены при непосредственном участии автора, включая основной вклад в проведение экспериментов [1*- 25*] и обработку данных [1*, 2*, 4* - 20*, 25*]. Автор участвовал в разработке идеи экспериментов [5*], им создана лабораторная установка [5*, 10*, 24*]. Он принимал полноправное участие в разработке теоретических моделей [2*, 4*] и интерпретации результатов экспериментов [2* - 5*, 10*, 12*, 21* - 24*].

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, включая 72 рисунка, 2 таблицы и списка литературы, состоящего из 87 источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы, новизна полученных результатов и положения, выносимые на защиту, указана научная и практическая значимость работы, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе представлены результаты лабораторных экспериментов по исследованию динамики турбулентного слоя в однородной и стратифицированной жидкости.

В разделе 1.1 приведен краткий литературный обзор экспериментальных и теоретических исследований по проблеме динамики турбулентности в однородной и стратифицированной жидкости.

В разделе 1.2 представлены результаты лабораторных экспериментов по исследованию движения слоев турбулентности в однородной жидкости. Эксперименты проводились в лабораторной кювете, турбулентность генерировалась колеблющейся ребристой пластинкой. Временная динамика турбулентного слоя изучалась двумя способами - с использованием данных видео регистрации движений подкрашенной жидкости и с помощью лабораторного акустического велосиметра ADV. Исследовались два режима возбуждения турбулентности «импульсный» - при кратковременном действии источника турбулентности и непрерывный. Было получено, что независимо от параметров колебаний пластинки толщина турбулентного слоя со временем меняется по степенным законам (см. рис. 1): h ~ t0,4 для «импульсного» возбуждения турбулентности (на начальном этапе), h ~ t0,6 для непрерывного.

Рис. 1. Нормированные зависимости ЫР4а0 6 от безразмерного времени 1со для непрерывного (м, Д) и «импульсного» (•, +) действия решетки и их степенные аппроксимации с показателями степени 0,6 и 0,4

В разделе 1.3 представлены результаты лабораторных экспериментов по исследованию динамики турбулентного слоя в жидкости с плотностной стратификацией. Эксперименты проводились для двух характерных типов стратификации - резкого скачка плотности и квазилинейного профиля плотности. Для резкого скачка плотности было получено, что в зависимости от величины скачка и параметров турбулентности, слой турбулизованной жидкости может

r/cw3

ЭТКОСТЬ, Г/СМ3

как проходить через скачок, вынося более плотные слои жидкости на поверхность (режим разрушения плотностной структуры), так и запираться скачком плотности, кроме того, возможен режим «частичного прохождения», при котором турбулентность обостряет пикноклин. В случае квазилинейной плотностной стратификации возможна ее трансформация под действием турбулентности в резкий скачок (см. рис. 2, б).

Рис. 2. Трансформация различных плотностных структур под действием турбулентности от непрерывно действующего источника: а — резкий скачок плотности: 1 - / = 8 с, 2 - t = 14 с, 3 -t = 23 с, 4 - t = 38 с; б -квазилинейная плотностная

стратификация: 1 - t = 7 с, 2-i =11 с, 3-f=17c, 4/ = 25 с, 5 - / = 39 с

В разделе 1.4 приведены результаты теоретического анализа уравнений полуэмпирической теории турбулентности [18] применительно к задаче динамики турбулентности в однородной жидкости на начальной стадии ее развития. В предположении постоянства масштаба турбулентности и пренебрежимо малой диссипации турбулентной энергии получены автомодельные решения уравнения баланса турбулентной энергии, описывающие процесс движения турбулентного слоя в однородной жидкости.

Показано, что «импульсному» режиму возбуждения соответствует задача с начальным условием b = b0S(t), z = 0, 6„ = const, ПРИ этом координата границы турбулентного слоя движется со временем по степенному закону с показателем 0,4. Непрерывный режим возбуждения турбулентности отвечает задаче с граничными условиями постоянства потока турбулентной энергии на

I I

дне Lb2 ■ dbjdz = q и отсутствием его на поверхности Lb2 -db/dz = 0, турбулентный слой при этом расширяется со временем по степенному закону с показателем 0,6. Полученные зависимости удовлетворительно описывают экспериментальные.

В разделе 1.5 приведены результаты теоретического анализа уравнений

полуэмпирической теории турбулентности применительно к задаче динамики турбулентности в стратифицированной по плотности жидкости. Использовались уравнения баланса турбулентной энергии с учетом сил плавучести и уравнение турбулентного переноса массы. В качестве граничных условий -

отсутствие потоков массы на дне и на поверхности, условия отсутствия пото-

ка энергии на поверхности и наличие потока энергии на дне.

На основе сравнения результатов численных расчетов с результатами экспериментов были проанализированы области параметров отвечающие раз-

личным режимам динамики турбулентного слоя в неоднородной жидкости -режим прохождения с разрушением плотностной структуры, режим запирания турбулентности скачком плотности и промежуточный режим - «частичного прохождения».

Показано, что результаты численных расчетов хорошо согласуются с описанными в разделе 1.3 экспериментальными данными. На основе сравнения результатов эксперимента с расчетами предложена классификация устойчивости турбулентности в стратифицированной жидкости по турбулентному числу Ричардсона.

Основные результаты первой главы изложены в работах [1*, 6* - 9*, 11*,

Во второй главе описан" новый лабораторный метод исследования затухания поверхностных волн под действием турбулентности.

В разделе 2.1 приведен краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований по проблеме гашения поверхностных волн турбулентностью.

В разделе 2.2 описана экспериментальная установка (рис. 3) и методика проведения экспериментов. Предложенная установка включала прозрачную

Рис.3. Схема экспериментальной установки ния турбулентности, а высокочастотное колебание (7-26 Гц) с малой амплитудой (< 0,5 мм) — для параметрического возбуждения поверхностных волн. Коэффициенты затухания волн (рис. 4) определялись по порогу их параметрического возбужде-

13*, 18*].

кювету, которая устанавливалась на вибростенд, вблизи дна кюветы крепилась перфорированная пластинка, неподвижная относительно кюветы. Вибростенд колебался в вертикальной плоскости в двухчастотном режиме, причем колебание низкой частоты (2 Гц; 2,8 Гц) и большой амплитуды (—0,5 см) использовалось для возбужде-

Рис. 4. Зависимости коэффициента затухания ГКВ от частоты волны: 1 - теория для нетурбулизованной чистой воды; 2 -экспериментальная зависимость для нетурбулизованной воды; 3, 4 - затухание волны на турбулентности различной интенсивности.

ния.

Частота, Гц

Как известно, условие параметрического возбуждения волн это равенство энергии накачки и диссипации энергии волны [19] , где Sg

— пороговая амплитуда ускорения вибрирующего основания, сок к— частота и волновое число параметрически возбуждаемых ГКВ (частота вибраций при этом равна 2со), h- глубина жидкости, а yz-суммарный коэффициент затухания волны.

Определение параметров турбулентности проводилось с использованием двухэкспозиционной съемки на цифровую видеокамеру движения подсвеченных лазером частиц нейтральной плавучести. При этом за счет импульсной подсветки получаются последовательности пар кадров (частота следования пар 2-4 Гц) с временной задержкой 0,02 с в паре (50 Гц). Съемка с длительной экспозицией (50-250 мс) позволяет оценить характерные масштабы турбулентных образований.

В разделе 2.3 проведен анализ результатов эксперимента. В отсутствии турбулентности коэффициент затухания ГКВ в ограниченном бассейне для стоячих волн с фронтами, параллельными меньшей стороне бассейна можно записать (см. [19]) в виде суммы: ya2v к1 + (vco/2)2 -2/а> гДе первое слагаемое

отвечает вязкому затуханию ГКВ на свободной поверхности, а второе - вязкому затуханию, связанному с влиянием стенок бассейна (v - молекулярная кинематическая вязкость жидкости, а - ширина бассейна).

Для описания затухания волн на турбулентности в работе использовано приведенное выше выражение с заменой в нем v на vT - турбулентную вязкость, на основе которого получены оценки величины турбулентной вязкости.

Полученные значения турбулентной вязкости в пределах ошибки измерений пропорциональны величинам турбулентных скоростей при различных частотах колебаний источника турбулентности (2 и 2,8 Гц). Это согласуется с полуэмпирическим описанием вихревой вязкости как величины, пропорциональной произведению среднеквадратичной скорости пульсаций на их масштаб (см., например, [20]) и не противоречит использованию приведенного соотношения для определения коэффициента турбулентной вязкости по аналогии с молекулярной.

Основные результаты второй главы изложены в работах [4*, 10*, 24*].

В третьей главе представлены результаты лабораторных экспериментов по исследованию гидродинамических особенностей рассеивателей радиосигналов СВЧ-диапазона сильно нелинейными волнами на воде.

В разделе 3.1 приведен краткий литературный обзор исследований по проблеме радиолокационного рассеяния сильно нелинейными и обрушаю-щимися волнами на воде.

В разделе 3.2 описана лабораторная установка и методика проведения экспериментов. Эксперименты проводились в кольцевом ветроволновом бассейне ИПФ РАН. Волны в бассейне генерировались при помощи механиче-

ского управляемого волнопродуктора. Периодические сильно нелинейные гравитационно-капиллярные волны (ГКВ) генерировались в диапазоне 1,7 - 5 Гц (длины волн 54-6 см), более длинные обрушающиеся волны (длины порядка 1 м) создавались методом дисперсионной фокусировки, при генерации волнопродуктором линейно-модулированного по частоте волнового пакета. Измерения характеристик рассеяния проводились с использованием допле-ровского СВЧ-скаттерометра Ка-диапазона (длина волны излучения 8,7 мм, вертикальная поляризация) в условиях резонансного (брэгговского) механизма рассеяния (углы падения 50° — 60°).

3 5

100 150 0 50 100 150

Частота, Гц Частота, Гц

а б

Рис. 5. Доплеровские спектры радиолокационного сигнала: а - для сильно нелинейных гравитационно-капиллярных волн с частотой 4 Гц (см-дм диапазон); б — для обращающейся волны метрового диапазона на гребне (1) и во впадине (2)

В разделе 3.3 приведены результаты лабораторных экспериментов. Анализ доплеровских спектров показал, что рассеяние СВЧ-сигнала периодическими ГКВ сантиметрового и частично дециметрового диапазонов длин обусловлено генерацией паразитной ряби, что и характеризует так называемое «микрообрушение» ГКВ (см. рис. 5, а). Установлено, что сильное обрушение (с образованием пенного гребня) волн метрового диапазона сопровождается генерацией рассеивателей электромагнитных волн в виде свободной (квазилинейной) ряби, движущейся в поле орбитальной скорости метровых волн (рис. 5, б). Большой разброс в скоростях свободной ряби, видимо, связан с турбулентностью, генерируемой при обрушении. В промежуточном случае, в диапазоне дециметровых ГКВ, отвечающем переходу от микрообрушений к сильным обрушениям, рассеяние происходит как на паразитной, так и на свободной ряби.

Основные результаты третьей главы изложены в работах [3*, 21* -23*].

В четвертой главе представлены результаты натурных исследований динамики локализованных турбулентных зон и их поверхностных проявлений на примере следов надводных судов.

В разделе 4.1 приведен литературный обзор по проблеме следов за надводными судами. Показаны основные особенности следа на взволнованной водной поверхности.

В разделе 4.2 представлены результаты натурных экспериментов по исследованию временной эволюции геометрических размеров турбулентного следа. Эксперименты проводились на Черном море и на Горьковском водохранилище в 2006 - 2010 г. Для изучения временной эволюции турбулентной зоны за судном использовался акустический профилограф скорости течений -ADCP Workhorse Sentinel 600 кГц, позволяющий измерять вертикальные профили трех компонент скорости, а также интенсивность сигнала обратного рассеяния. ADCP устанавливался на борту моторной лодки. Сбор данных производился при пересечениях следа надводного судна в направлениях поперечных к направлению движения судна. Многократное пересечение турбулентной зоны дает временную эволюцию геометрических размеров турбулентного следа (рис. 6). След надводного судна хорошо регистрируется акустическими средствами в силу повышенной концентрации пузырьков воздуха, маркирующих турбулентность.

екусттгческое рас сеяние (¿5)

60S 539 52? «в 44S 403 ЬТО 334 2С2 253 £13 474 1Э5

номер измерения

Рис. 6. Временная эволюция турбулентного следа, зарегистрированного по профилям обратного акустического рассеяния. По горизонтали отложены номера отсчетов АБСР. Зоны с высоким уровнем обратного рассеяния отвечают области турбулентно-

Рис. 7. а - экспериментальные зависимости ширины и глубины следа в зависимости от времени: 0 — наст, работа; О - работа [13]; * - данные экспериментов [21]; показаны степенные зависимости с показателями 0,4 и 0,2; б - зависимости безразмерной ширины следа от возраста: 0 - наст, работа; О - работа [13]; * - данные экспериментов [21]

На рис. 7, а представлены результаты обработки экспериментальных данных и их сравнение с результатами ранее выполненных исследований.

Предложена нормировка, учитывающая скорости движения и размеры судов, в результате получена универсальная (по крайней мере, на начальной стадии развития следа) зависимость ширины следа от его возраста (см. рис. 7, б).

В разделе 4.3 предложена простая модель, позволяющая описывать начальную стадию расширения турбулентного следа как диффузию турбулентной энергии от импульсного источника. С учетом установленного экспериментально факта слабой зависимости глубины следа от его возраста предложено описывать эволюцию турбулентной области на начальной стадии как расширение плоского турбулентного слоя. При этом сделано предположение, что источник турбулентности сосредоточен в тонком вертикальном слое, ширина которого определяется размерами винтов судна и мала по сравнению с шириной следа на рассматриваемых временах. Источник сосредоточен в окрестности центральной оси следа, где имеет место интенсивное перемешивание жидкости винтами судна. Поскольку смещение судна на расстояние порядка характерного размера винтов происходит за малое по сравнению с рассматриваемыми временами эволюции следа время, то такой источник турбулентности можно считать «импульсным». Для описания результатов натурного эксперимента использована теоретическая модель «импульсного» возбуждения турбулентности, рассмотренная в главе 1 настоящей работы. Степенная зависимость с показателем 0,4 удовлетворительно описывает экспериментальные зависимости ширины турбулентного следа от времени на начальном этапе его расширения и при его постоянной глубине (см. рис. 7, 6).

В разделе 4.4 проведен анализ данных натурных экспериментов, в результате которого в следах удалось обнаружить средние циркуляционные течения с «роликовой» структурой, были исследованы поверхностные проявления этих течений. На рис. 8 показана фотография поверхностного следа и его вертикальный разрез, полученный с помощью АБСР, стрелками показана структура средних течений, величины средних скоростей ~ 10 см/с. Наличие неоднородных течений связанных с зоной турбулентного следа приводит к формированию ряда особенностей поверхностного образа следа: на ранних стадиях (т ~ 3 - 12), когда скорости течений велики, на границах области турбулентного «выглаживания» волн формируются области усиления ветровых волн - сулои (см. рис. 8). Сулои могут быть асимметричными, что в значительной степени определяется направлением и скоростью приводного ветра. Более поздние стадии развития следа (т > 15-20) характеризуются наличием сликовых полос на границах следа.

В разделе 4.5 предложен физический механизм формирования средних циркуляционных течений в результате всплытия пузырьков воздуха в следе. Данный механизм промоделирован в лабораторном эксперименте. Эксперименты проводились в кольцевом бассейне ИПФ РАН, где с помощью акустического велосиметра было исследовано поле средних течений, генерируемых пеленой всплывающих пузырьков воздуха. Получено, что профили таких течений сильно неоднородны по глубине, а значения скорости жидкости на поверхности могут достигать величин порядка скоростей всплытия пузырьков

(20 - 30 см). Показано, что измеренные течения приводят к эффектам блокировки поверхностных волн, их усилению и компрессии поверхностно-активных веществ.

Рис. 8. Фотография поверхностного следа судна, совмещенная с его вертикальным разрезом (интенсивность обратного акустического рассеяния) и нанесенным полем средних скоростей. Возраст следа на разрезе т= 10- 12

3"' 2<52 ' ' ' 272 ' Т" ' ' ' 282 *' "* ' ' " ' 292 ' * ' "' ' 302 *'*" '

расстояние, м

Основные результаты четвертой главы изложены в работах [2*, 4*, 9*, 12*, 14* - 20*, 25*].

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. В ходе лабораторных экспериментов выявлен закон изменения толщины турбулизованного слоя со временем в однородной жидкости. Установлено, что при непрерывном действии источника турбулентности толщина слоя растет по степенному закону, близкому к 1°'6, а при кратковременном действии источника («импульсный» режим возбуждения турбулентности) начальная стадия расширения турбулентного слоя описывается степенным законом, близким к г0'4. Предложена нормировка экспериментальных зависимостей, позволившая определить связь параметров источника и характеристик турбулентности. Дано экспериментальное подтверждение существования различных режимов эволюции турбулентного слоя в жидкости с плотностной стратификацией - полное или частичное прохождение, «запирание».

условия постоянства потока турбулентной энергии в области источника турбулентности, а «импульсный» режим возбуждения турбулентности удовлетворительно описывается в рамках модели с начальным условием.

3. Предложен новый лабораторный метод изучения затухания гравитационно-капиллярных волн под действием турбулентности, основанный на одновременном возбуждении турбулентности и волн в двухчастотном режиме. Низкочастотное колебание большой амплитуды используется для возбуждения турбулентности при обтекании жидкостью перфорированной пластинки, а высокочастотная составляющая малой амплитуды - для параметрического возбуждения стоячих гравитационно-капиллярных волн. Получены экспериментальные зависимости коэффициента затухания гравитационно-капиллярных волн от их частоты и от интенсивности турбулентности, на их основе сделаны оценки коэффициента турбулентной вязкости, определяющей затухание волн.

4. В лабораторном эксперименте по изучению механизмов радиолокационного рассеяния СВЧ-сигналов взволнованной водной поверхностью получено, что при сильном обрушении гравитационных волн метрового диапазона доминирующим типом рассеивателей электромагнитных волн является свободная (квазилинейная) рябь, движущаяся в поле орбитальной скорости несущих гравитационных волн. В диапазоне гравитационно-капиллярных волн сантиметрового и частично дециметрового диапазона рассеивателями радиолокационного сигнала является связанная (паразитная) рябь, характеризующая микробрушение волн. Для дециметровых гравитационно-капиллярных волн, радиолокационное рассеяние обусловлено как паразитной, так и свободной рябью.

5. В ходе натурных экспериментов установлен закон эволюции зон турбулентности, возбуждаемых надводными судами, универсальный для начальной стадии расширения следа. С использованием модели «импульсного» источника, предложенной на основании результатов лабораторных экспериментов, дано теоретическое описание расширения турбулентного следа. Экспериментально обнаружены средние «роликовые» течения в области следа, дано качественное объяснение основных особенностей проявления следов на морской поверхности.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Монин A.C., Озмидов Р.В. Океанская турбулентность. JL: Гидрометеоиздат, 1981.319 с.

2. Филипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. JL: Гидрометеоиздат, 1980. 285 с.

3. Воропаев С.И., Гаврилин Б.Л., Зацепин А.Г. О структуре поверхностного слоя океана // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1981. Т. 17. № 5. С. 521-526.

4. Баренблатт Г.И., Бенилов АЛО. Влияние внутренних волн на неоднородности гидрофизических характеристик поверхности океана // Воздействие крупномасштабных внутренних волн на морскую поверхность. Горький, ИПФ РАН, 1982. С. 52-73.

5. Носов М.А., Скачко С.Н. Аномалии температуры поверхности океана и подводные землетрясения // Физическая экология (физические проблемы экологии). Изд -во физического факультета МГУ. 1999. № 4. С. 76-84.

6. Vesecky J.F., Stewart R.H. The observations of ocean surface phenomena using imagery from the Seasat synthetic aperture radar: An assessment // J. Geophys. Res. 1982. V. 87, No. C5.P. 3397-3430.

7. Монин A.C., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л.: Гидрометео-издат, 1985. 376 с.

8. Da Silva J.C., Ermakov S.A., Robinson I.S., Jeans D.R.G., Kijashko S.V. Role of surface films in ERS SAR signatures of internal waves on the shelf. 1. Short-period internal waves //J. Geophys. Res. 1998. V. 103, No. C4. P. 8009 - 8031.

9. Lyzenga D.R., Marmorino G.O. Measurements of surface currents using seguenta; synthetic aperture radar images of slick patterns near the edge of the Gulf Stream // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, No. C9. P. 18769- 18777.

10. Булатов М.Г., Кравцов Ю.А., Лаврова О.Ю. и др. Физические механизмы формирования аэрокосмических радиолокационных изображений океана // УФН. 2003. Т. 173, № 1.С. 69-87.

11. Thompson D. R., Gasparovic R.F. Intensity modulation in SAR images of internal waves // Nature. 1986. V. 320, No. 6060. P. 345 - 348.

12. Lyden, J.D., Hammond R.R., Lyzenga D.R., Shuchman R.A. Synthetic aperture radar imaging of surface ship wakes // J. Geophys. Res. 1988. V. 93, No. C10. P. 12293 -12303.

13. Peltzer R.D., Griffin O.M., Barger W.D., Kaiser J.A.C. High resolution measurements of surface-active film redistribution in ship wakes // J. Geophys. Res. 1992. V. 97, No. C4. P. 5231-5252.

14. Twenty-Fourth Symposium on Naval Hydrodynamics. Bruce M. Alberts. Washington D.C.: National Academic Press, 2003. 1026 p.

15. Marmorino G.O., Trump C.L. Preliminary Side-Scan ADCP Measurements across a Ship's Wake. // J. Atmos. Oceanic Technol. 1996. V. 13. P. 507-513.

16. Боев А.Г. О гашении поверхностных волн сильной турбулентностью // Изв. РАН ФАО. 1971. №7. С. 31 - 36.

17. Phillips О.М. The scattering of gravity waves by turbulence // J. Fluid Mech. 1959. V. 5. p. 177-192.

18. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Т. 1. М.: Наука, 1965. 345 с.

19. Ермаков С.А. Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн. Н.Новгород: ИПФ РАН, 2010. 164 с.

20. ШлихтингГ. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. 742 с.

21. Езерский А. Б., Сандлер Б.М., Селивановский Д.А. Эхолокационные наблюдения газовых пузырьков вблизи морской поверхности // Акустический журнал, Т. 35, вып. 5. 1989. С. 829-833.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Ермакова О.С., Капустин И. А., Папко В.В. О динамике турбулентного слоя в однородной и стратифицированной жидкости // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44, № 5. С. 629 - 640.

2*. Ермаков С.А., Капустин И.А., О законе расширения турбулентного следа за надводным судном. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2009. Т. 1, № 6. С. 364-372.

3*. Ермаков С.А., Капустин И.А., Сергиевская И.А. Лабораторное исследование радиолокационного рассеяния сильно нелинейными волнами на поверхности воды. // Изв. РАН. Сер. физическая, 2010. Т. 74, № 12. С. 1765-1768.

4*. Ермаков С.А., Капустин И.А. Экспериментальное исследование расширения турбулентного следа надводного судна. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46, №4. с. 565-570.

5*. Ермаков С.А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н., Шомина О.В Об одном методе исследования затухания волн на поверхности турбулизованной жидкости. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011 (в печати).

2005. С. 255-256.

7*. Ермакова О.С., Капустин И.А., Ермаков С.А., Троицкая Ю.И. Исследование динамики фронта одномерной изотропной турбулентности в однородной жидкости // Сборник трудов десятой конференции по радиофизике / ННГУ. Нижний Новгород,

2006. С. 33-34.

8*. Ермакова О.С., Ермаков С.А., Капустин И.А., Папко В.В., Троицкая Ю.И. Экспериментальное исследование трансформации плотностной структуры под действием турбулентных возмущений. // Сборник трудов одиннадцатой конференции по радиофизике / ННГУ. Нижний Новгород, 2007. С. 167-169.

9*. Ермаков С.А., Капустин И.А. О влиянии крупномасштабных вихрей на динамику фронта турбулентности. // Сборник трудов двенадцатой конференции по радиофизике / ННГУ. Нижний Новгород, 2008. С. 184-186.

10*. Ермаков С.А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н., Шомина О.В. Лабораторное исследование гашения волн турбулентностью. // Сборник трудов четырнадцатой конференции по радиофизике / ННГУ. Нижний Новгород, 2010. С. 196-197.

11*. Ермакова О.С., Капустин И.А., Папко В.В. О динамике турбулентного слоя в однородной и стратифицированной жидкости : препринт ИПФ РАН № 740. 2007. 20 с.

12*. Ермаков С.А., Капустин И.А. Экспериментальное исследование расширения турбулентного следа надводного судна : препринт ИПФ РАН № 779. 2009. 12 с.

13*. Ермакова О.С., Ермаков С.А., Капустин И.А., Троицкая Ю.И., Экспериментальное исследование динамики турбулизованного слоя в жидкости с солевой стратификацией. // XII Нижегородская сессия молодых ученых. Тезисы докладов (естественнонаучные дисциплины). Нижний Новгород, 2007.

15*. Ермаков С.А., Капустин И.А., Исследование динамики области сильной турбулентности, возбуждаемой движущимся надводным судном. // XIII Нижегородская сессия молодых ученых. Тезисы докладов (естественнонаучные дисциплины). Нижний Новгород, 2008.

16*. Капустин И.А., Натурные исследования динамики области турбулентности, возбуждаемой надводным судном. // Фундаментальные и прикладные задачи нелинейной физики, тезисы докладов конференции молодых ученых / ИПФ РАН. Нижний Новгород, 2008.

17*. Капустин И.А., Ермаков С.А. О динамике турбулентности, возбуждаемой надводным судном. Натурные наблюдения и лабораторный эксперимент. // Сборник тезисов 6 открытой конференции по дистанционному зондированию Земли из космоса / ИКИ РАН. М„ 2008.

18*. Ермаков С.А., Капустин И.А. Экспериментальное исследование динамики турбулентных слоев в жидкости. // XIV Нижегородская сессия молодых ученых. Тезисы докладов (естественнонаучные дисциплины). Нижний Новгород, 2009. С. 39-39.

19*. Ермаков С. А., Капустин И. А. Исследование турбулентного следа надводного судна по его проявлению на поверхности и в приповерхностном слое. // Сборник тезисов четвертой межведомственной конференции «Проявление глубинных процессов на морской поверхности» / ИПФ РАН. Нижний Новгород, 2009. С. 7.

20*. Ермаков С.А., Капустин И. А., Лазарева Т.Н., Макаров Е.В., Сергиевская И.А. Поверхностные проявления турбулентного следа надводного судна. // Сборник тезисов 7 открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» / ИКИ РАН. М„ 2009.

21*. Sergievskaya I., Ermakov S., Kapustin I. Radar Probing of Steep Gravity Waves. Wave Tank Experiment. EuRad proceeding, Paris, 2010. P. 17-20.

22*. Ермаков C.A., Капустин И.А., Сергиевская И.А. Лабораторное исследование радиолокационного рассеяния на сильно нелинейных волнах на поверхности воды. // Труды школы-семинара «Волны-2010»/ МГУ, М., 2010. С. 28-31.

23*. Капустин И.А., Ермаков С.А., Сергиевская И.А. Об особенностях рассеяния радиолокационных сигналов сильно-нелинейными гравитационно-капиллярными волнами // Сборник тезисов 8 открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» / ИКИ РАН. М., 2010. С. 210-211.

24*. Шомина О.В., Ермаков С. А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н. Экспериментальное исследование затухания волн под действием турбулентности // Сборник тезисов 8 открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» / ИКИ РАН. М., 2010. С. 232-232.

25*. Ермаков С.А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н. Поверхностные проявления следа за надводным судном // XV Нижегородская сессия молодых ученых. Тезисы докладов (естественнонаучные дисциплины). Нижний Новгород, 2010.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение..................................................................................................................................5

Глава 1. Динамика турбулентных слоев в однородной и стратифицированной жидкости

1.1. Введение..........................................................................................................................23

1.2. Лабораторные исследования динамики турбулентного слоя в однородной жидкости......26

1.2.1. Лабораторная установка.....................................................................................26

1.2.2. Обработка данных...............................................................................................28

1.2.3. Результаты эксперимента...................................................................................32

1.3. Лабораторные исследования динамики турбулентного слоя в жидкости с плотно-стной стратификацией..........................................................................................................36

1.3.1. Описание эксперимента......................................................................................36

1.3.2. Эволюция турбулентного слоя в неоднородной жидкости....................................36

1.3.3. Трансформация плотностной структуры..........................................................39

1.4. Теоретическое описание динамики турбулентного слоя в однородной жидкости.........44

1.4.1. Основные уравнения...........................................................................................44

1.4.2. Непрерывный режим возбуждения турбулентности.......................................50

1.4.3. Импульсный режим возбуждения турбулентности.........................................53

1.5. Теоретическое описание динамики турбулентного слоя в стратифицированной ^

жидкости..................................................................................................................................

1.5.1. Основные уравнения..........................................................................................."

1.5.2. Анализ различных режимов эволюции турбулентности.................................эУ

1.5.3. Оценки для океана...............................................................................................°

1.6. Выводы к главе-1............................................................................................................

Глава 2. Затухание поверхностных волн под действием турбулентности. ^

2.1. Введение..........................................................................................................................

2.2. Новый метод исследования затухания волн на турбулентности...............................04

2.2.1. Лабораторная установка.....................................................-..............................

2.2.2 Методика измерения затухания волн под действием турбулентности...........69

2.3. Результаты эксперимента и их анализ.........................................................................

2.3.1. Коэффициент затухания волн.......................................................................... •■■_71

2.3.2. Оценка коэффициента турбулентной вязкости................................................75

2.4. Выводы к главе 2............................................................................................................

Глава 3. Радиолокационное рассеяние на сильно нелинейных (обрушающихся) поверхностных волнах.

3.1. Введение....................................................................................................................Г'"

3.2. Лабораторное исследование радиолокационного рассеяния на сильно нелинейных

гравитационно-капиллярных волнах (ГКВ) на поверхности воды..................................79

3.2.1. Лабораторная установка....................................................................................

3.2.2. Описание эксперимента.......................................................................:..............

3.3. Результаты эксперимента и их анализ.........................................................................

3.3.1. ГКВ сантиметрового-дециметрового диапазона......................................°5

3.3.2. ГКВ дециметрового диапазона...........................................................................88

3.3.3. ГКВ метрового диапазона...................................................................................™

3.4. Выводы к главе 3............................................................................................................

Глава 4. Динамика областей интенсивной турбулентности и ее проявлении на взволнованной водной поверхности (на примере следа надводного судна). ^

4.1 Введение..........................................................................................-...............................

4.2. Натурные исследования динамики областей интенсивной турбулентности...........л

4.2.1. Методика экспериментов..................................................................................

4.2.2. Результаты экспериментов (эволюция турбулентного следа)......................102

4 3. Модельное описание эволюции следа надводного судна........................................106

4.4. Поле средних скоростей в следе. Проявление следа на водной поверхности....... 107

4.4.1. Об измерениях течений в следе надводного судна........................................107

4.4.2. Структура течений в следе на разных стадиях его развития........................108

4.4.3. Сулои в следе надводного судна......................................................................

4.4.4. «Рельсовый след»..............................................................................................

4.4.5. Особенности следов в зонах эвтрофирования водоемов...............................11»

4.5. Лабораторное исследование средних течений от всплывающих воздушных пузырьков и их воздействия на поверхностные волны...................................................119

4.5.1.Формирование средних течений в результате всплытия пузырьков.............И У

4.5.2. Структура средних течений..............................................................................120

4.5.3. Трансформация волн и перераспределение концентрации поверхностно-

активных веществ (ПАВ)............................................................................................

4.6. Выводы к главе 4....:.....................................................................................................

Заключение..-..........................................................................................................................

Список цитированной литературы...............................................................................

Список работ по теме диссертации................................................................................

КАПУСТИН Иван Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ОБЛАСТЕЙ ТУРБУЛИЗОВАННОЙ ЖИДКОСТИ И ГРАВИТАЦИОННО-КАПИЛЛЯРНЫХ ВОЛН В ПОЛЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ

Автореферат

Подписано к печати 25.07.2011. Формат 60 х 90 7,6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 68(2011).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Капустин, Иван Александрович

Введение.

Глава 1. Динамика турбулентных слоев в однородной и стратифицированной жидкости.

1.1. Введение.!.

1.2. Лабораторные исследования динамики турбулентного слоя в однородной жидкости.

1.2.1. Лабораторная установка.

1.2.2. Обработка данных.

1.2.3. Результаты эксперимента.

1.3. Лабораторные исследования динамики турбулентного слоя в жидкости с плотностной стратификацией.

1.3.1. Описание эксперимента.

1.3.2. Эволюция турбулентного слоя в неоднородной жидкости.

1.3.3. Трансформация плотностной структуры.

1.4. Теоретическое описание динамики турбулентного слоя в однородной жидкости.

1.4.1. Основные уравнения.

1.4.2. Непрерывный режим возбуждения турбулентности.

1.4.3. Импульсный режим возбуждения турбулентности.

1.5. Теоретическое описание динамики турбулентного слоя в стратифицированной жидкости.

1.5.1. Основные уравнения.

1.5.2. Анализ различных режимов эволюции турбулентности.

1.5.3. Оценки для океана.

1.6. Выводы к главе 1.

Глава 2. Затухание поверхностных волн под действием турбулентности.

2.1. Введение.

2.2. Новый метод исследования затухания волн на турбулентности.

2.2.1. Лабораторная установка.

2.2.2 Методика измерения затухания волн под действием турбулентности.

2.3. Результаты эксперимента и их анализ.

2.3.1. Коэффициент затухания волн.

2.3.2. Оценка коэффициента турбулентной вязкости.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. Радиолокационное рассеяние на сильно нелинейных (обрушающихся) поверхностных волнах.

3.1. Введение.

3.2. Лабораторное исследование радиолокационного рассеяния на сильно нелинейных гравитационно-капиллярных волнах (ГКВ) на поверхности воды.

3.2.1. Лабораторная установка.

3.2.2. Описание эксперимента.

3.3. Результаты эксперимента и их анализ.

3.3.1. ГКВ сантиметрового-дециметрового диапазона.

3.3.2. ГКВ дециметрового диапазона.

3.3.3. ГКВ метрового диапазона.

3.4: Выводы к главе 3.

Глава 4. Динамика областей интенсивной турбулентности и ее проявлений на f взволнованной водной поверхности (на примере следа надводного судна).

4.1 Введение.

4.2. Натурные исследования динамики областей интенсивной турбулентности.

4.2.1. Методика экспериментов.

4.2.2. Результаты экспериментов (эволюция турбулентного следа).

4.3. Модельное описание эволюции следа надводного судна.

4.4. Поле средних скоростей в следе. Проявление следа на водной поверхности.

4.4.1. Об измерениях течений в следе надводного судна.

4.4.2. Структура течений в следе на разных стадиях его развития.

4.4.3. Сулои в следе надводного судна.

4.4.4. «Рельсовый след».

4.4.5. Особенности следов в зонах эвтрофирования водоемов.

4.5. Лабораторное исследование средних течений от всплывающих воздушных пузырьков и их воздействия на поверхностные волны.

4.5.1. Формирование средних течений в результате всплытия пузырьков.

4.5.2. Структура средних течений.

4.5.3. Трансформация волн и перераспределение концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ).

4.6. Выводы к главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальное исследование динамики локализованных областей турбулизованной жидкости и гравитационно-капиллярных волн в поле турбулентных течений"

Актуальность темы.

Постоянный интерес к проблеме турбулентности в жидкости определяется как высоким уровнем ее фундаментальности, так и важными практическими приложениями в науке и технике. Описание и моделирование турбулентных движений представляет собой сложную и нерешенную к настоящему времени задачу. Важное значение проблема турбулентности имеет для наук о Земле, в частности, для физики атмосферы и океанологии. В океанологии актуальность проблемы связана с необходимостью моделирования процессов вертикального обмена в океане и процессов формирования и разрушения термохалинной структуры [1-3]. Массо- и газообмен в приповерхностном слое моря в значительной степени определяется турбулентностью, генерируемой крутыми поверхностными волнами, в том числе, при их обрушении, а процессы формирования температурной и плотностной стратификации океана не могут быть описаны без учета перемешивания в верхнем слое [2, 3]. Интересные приложения проблемы связаны с механизмами проявления интенсивных внутренних волн на морской поверхности при их обрушении [15]. Другая проблема - возникновение так называемых «холодных аномалий» на морской поверхности, связанных с перемешиванием воды при колебаниях дна и неоднократно наблюдавшихся с использованием средств дистанционного зондирования океана в районах с повышенной сейсмической активностью [16].

Особую актуальность проблема турбулентности приобрела в связи с интенсивным развитием методов дистанционного зондирования Земли и перспективами изучения динамических процессов в океане и атмосфере, в частности, по эффектам их воздействия на поверхностное волнение. Важной частью проблемы дистанционного зондирования является изучение динамики поверхностных гравитационно-капиллярных волн в поле турбулентных течений и механизмов проявления последних на морской поверхности. Анализ таких механизмов позволит отличать зоны турбулентного "выглаживания" волн на изображениях морской поверхности от других вариаций интенсивности поверхностного волнения, обусловленных пленками поверхностно-активных веществ, неоднородными течениями, вариациями приводного ветра и др. [4—14]. При анализе механизмов образования неоднородностей поверхностного волнения важное место занимает изучение турбулентных областей, генерируемых надводными судами [70-75]. Следы судов являются сложными физическими объектами, объединяющими широкий круг задач: турбулентное гашение волн, усиление волн (сулои) на границе следа, формирование сликовых полос, связанных с поверхностно-активными веществами, движение воздушных пузырьков в следе и т.д. Следы хорошо регистрируются с аэро- и космических носителей и могут нести в себе различную информацию как о характеристиках движущегося судна, так и о гидрометеорологических характеристиках (см:, например, [71]).

Взаимодействие поверхностных гравитационно-капиллярных волн с турбулентностью в толще воды представляет собой одну из фундаментальных гидродинамических проблем, решение которой, однако, далеко от завершения. В-настоящее время- рассматривается, несколько возможных механизмов эффекта затухания волн в присутствии турбулентности («размешивание» турбулентностью^ волновой энергии по вертикали [30], «рассеяние» волн на вихрях [32]), однако в силу значительных трудностей экспериментального исследования эффекта до сих пор не сделано однозначного вывода об условиях, при которых преобладает тот или иной механизм. Экспериментальные трудности связаны прежде всего с созданием лабораторных установок и разработкой новых методов исследования,., позволяющих минимизировать влияние краевых течений, возникающих при возбуждении локализованных турбулентных областей и маскирующих эффекты гашения волн.

Поскольку обрушающиеся волны дают значительный, вклад в перемешивание в верхнем слое океана [2], наличие таких сильно нелинейных волн на морской поверхности является своеобразным индикатором интенсификации вертикального обмена,, которая может быть зарегистрирована, средствами дистанционного (в частности, радиолокационного) зондирования [5]. Представляет интерес, поэтому, исследовать, что в гидродинамическом плане представляют собой сами рассеиватели зондирующих радиолокационных сигналов и как меняются характеристики этих сигналов при обрушении поверхностных волн различных диапазонов длин.

Настоящая работа представляет собой комплексное исследование, направленное на решение проблем, связанных с изучением динамики турбулентных слоев в однородной и стратифицированной жидкости, взаимодействия турбулентности с поверхностными волнами, проявления-обрушений волн на воде в характеристиках радиолокационных сигналов. Указанные исследования проводились в ходе лабораторных и натурных экспериментов с использованием современного оборудования и ряда оригинальных методик. В работе представлены результаты теоретического анализа динамики турбулентного слоя на основе полуэмпирической теории турбулентности, а также результаты натурных экспериментов по исследованию динамики, турбулентных зон (на примере следа надводного судна), связанных с ними средних течений и« их поверхностных проявлений.

Цель и задачи исследования.

Основной целью настоящей работы является изучение динамики турбулентных-слоев в жидкости и взаимодействия турбулентности с поверхностными волнами в присутствии течений. Конкретные задачи работы:

- Исследование динамики турбулентных слоев в однородной жидкости при различных режимах возбуждения турбулентности, исследование динамики* турбулентных слоев в жидкости со стратификацией и эффектов трансформации плотностной структуры под действием турбулентности.

- Изучение затухания поверхностных волн под действием турбулентности.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту.

Научная новизна настоящей работы обусловлена оригинальными результатами, полученными в ней:

1. Турбулентные слои в однородной жидкости расширяются со временем по законам, близким к степенным; показатели степени зависят от режима возбуждения турбулентности. Имеют место два основных режима возбуждения турбулентности: непрерывный, при постоянном во времени действии источника турбулентности, и «импульсный», при кратковременном действии источника. Различные режимы удовлетворительно описываются в рамках полуэмпирической теории турбулентности заданием соответствующих граничных и начальных условий: В жидкости со стратификацией реализуются три различных режима: запирания турбулентного слоя, частичного прохождения турбулентности через область скачка плотности, сопровождающегося его обострением,, и полного прохождения с разрушением плотностной структуры. Различные режимы могут быть описаны в терминах турбулентного числа;Ричардсона;.

2. Турбулентность в жидкости приводит к сильному затуханию поверхностных гравитационно-капиллярных волн. Коэффициент затухания волн в турбулизованной жидкости можно определить по порогу параметрического; возбуждения волны и описать в рамках модели турбулентной вязкости.

3. Гидродинамическая природа рассеяния СВЧ-сигнала на сильно нелинейных поверхностных волнах характеризуется существенными различиями в зависимости от диапазона длин волн. Крутые короткие волны см-диапазона рассеивают радиолокационный С)ВЧ-сигнал за счет генерации связанной (паразитной) ряби, в то время: как обрушивающиеся: волны метрового диапазона - за счет генерации свободной (квазилинейной) ряби, движущейся в поле орбитальной' скорости длинной волны. В' промежуточном диапазоне дециметровых волн рассеяние происходит как на связанной, так и на свободной ряби.

4. Турбулентные зоны, возбуждаемые надводными судами, могут описываться как плоские слои турбулизованной жидкости;при; их «импульсном» возбуждении. Основные особенности проявления следов надводных судов; на взволнованной водной поверхности; объясняются наличием; средних циркуляционных течений в области турбулентного следа.

Научная и практическая значимость работы.

Результаты исследования турбулентных зон и средних течений, генерируемых надводными судами, углубляют понимание механизмов поверхностного проявления следа надводного судна на взволнованной водной поверхности и дают возможность развить критерии обнаружения и идентификации судов по их следам, в том числе, с целью экологического мониторинга и навигации.

Результаты работы» использовались при выполнении проектов РФФИ (гранты

04-05-64763-а, 05-05-64137-а, 07-05-00125-а, 07-05-10030-к, 08-05-00634-а, 08-05-10047-к, 08-05-97011-рповолжьеа, 09-05-10033-к, 09-05-97019-рповолжьеа, 10

05-00101-а, 10-05- 10045-к, 11-05-00295-а, 11-05-10073-к, 11-05-97027-рповолжьеа, 11-05-97029-рповолжьеа), программе ОФН РАН "Проблемы радиофизики", гранта Ведущей научной школы НШ-6043.2006.2 академика В.И. Таланова; программ Министерства образования и науки РФ.

Апробация результатов работы и публикации.

Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования- Земли из космоса» (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010), Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 2007, 2008, 2009, 2010), межведомственной конференции «Проявление глубинных процессов, на морской поверхности» (Н. Новгород, 2009), международной научной школе «Нелинейные волны» (Н. Новгород, 2008), научной конференции по радиофизике (Н. Новгород, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010, 2011), Всероссийской школе-семинаре «Волны -2010» (Москва, 2010); на семинаре в Норвежском метеорологическом институте (Осло, 2010); на Всероссийском форуме «Великие реки - 2011» (Н. Новгород, 2011). Результаты работы обсуждались на семинарах ИПФ РАН.

Личный вклад автора

Структура и объем работы.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Капустин, Иван Александрович

3.4. Выводы к главе 3.

Кратко сформулируем основные результаты данной главы:

- Рассеяние СВЧ-сигнала периодическими ГКВ сантиметрового и частично дециметрового обусловлено генерацией паразитной ряби, что и характеризует, так называемое "микрообрушение" гравитационно-капиллярных волн.

- Получено, что при сильном обрушении волн метрового диапазона рассеивателями электромагнитных волн является свободная (квазилинейная) рябь, движущаяся в поле орбитальной скорости несущих волн. Большой разброс в скоростях свободной ряби, по-видимому, связан с турбулентностью, генерируемой при обрушении.

- В промежуточном случае, в диапазоне дециметровых ГКВ, отвечающем переходу от микрообрушений к сильным обрушениям, рассеяние происходит как на паразитной, так и на свободной ряби.

Глава 4. Динамика областей интенсивной турбулентности и ее проявлений на взволнованной водной поверхности (на примере следа надводного судна) [2*, 4*, 9*, 12*, 14*-20*, 25*].

4.1. Введение.

Исследование динамики областей локализованной турбулентности и их поверхностных проявлений имеет важные геофизические приложения. Здесь можно отметить, такие явления, как плавучие турбулентные струи, турбулентность при обрушении внутренних и поверхностных волн, при обтекании препятствий, следы за движущимися телами и др. Если рассматривать, в частности, следы, возбуждаемые надводными судами, то, наряду с собственно динамикой областей интенсивной турбулентности [5, 23, 25], данная проблема включает в себя ряд сопутствующих задач, в том числе, динамику пузырьков газа в жидкости [69], движение примеси в турбулентном потоке, распределение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в поле неоднородных течений (см., например, [6-9, 11-13]). Важное место изучение следа надводного судна (СНС) занимает и в проблеме дистанционного зондирования морской поверхности при анализе механизмов формирования неоднородностей поверхностного волнения [4]. Известно, что воздействие турбулентности на морскую поверхность приводит к подавлению коротких ветровых волн и образованию областей «выглаживания» (см., фото на рис. 4.1, а). Последние наблюдаются на изображениях (в т.ч. радиолокационных) морской поверхности [14, 70] (рис. 4.2, а, б) наряду с областями гашения ветровых волн (сликами) иной природы, вызванными, например, пленками поверхностно-активных веществ, неоднородными течениями и внутренними волнами, а также совместными действием нескольких из упомянутых факторов. Для идентификации таких неоднородностей на изображениях морской поверхности необходимо, поэтому, знание особенностей сликов, связанных с различными динамическими процессами в океане и атмосфере.

Рассмотрим далее структуру следов более подробно. По результатам радиолокационных и оптических изображений следа надводного судна на морской поверхности можно выделить три его основных признака: величины этих скоростей были усреднены по глубине следа и не давали представления о реальных величинах скоростей. В работе также высказано предположение, что такие расходящиеся приповерхностные течения могут быть обусловлены наличием «роликовой» структуры течений в следе.

Интерференционные измерения поля поверхностных скоростей с использованием двухлучевого радиолокатора с синтезированной апертурой установленного на авианосителе проводилось в [75]. Величины измеренных поперечных к оси следа компонент скорости достигали 30 — 40 см/с, что существенно превышает значения, измеренные в толще воды в [72].

В работе [70], посвященной экспериментальному исследованию сликовых полос в СНС, было показано, что «рельсовые следы» связаны с повышенной концентрацией ПАВ в следе, и были получены степенные законы изменения расстояния между полосами от времени на достаточно больших расстояниях от судна. На небольших же расстояниях, где сликовые полосы в следе еще отсутствуют либо только начали формироваться, закон расширения следа должен определяться турбулентной диффузией.

Что касается теоретического анализа динамики следов, то здесь с использованием полуэмпирических моделей или прямого численного моделирования удается рассчитывать характеристики следов на малых (порядка размера судна) расстояниях от судна (см., также, [71]); данные расчеты проводятся в рамках различных численных моделей [76 - 78]: random flow generation (RFG), Large-Eddy-Simulations (LES), Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) и других. Обычно вычислительных мощностей хватает для изучения поля обтекания корпуса судна и оценки коэффициентов сопротивления судов (см., например, [79]), но поскольку характеристики следа рассчитываются на небольших расстояниях от судна, эти данные не представляют большого интереса для задач дистанционного зондирования следов на морской поверхности, так же как и моделирование полей обтекания в специальных бассейнах с использованием самодвижущихся и протягиваемых моделей судов.

В настоящее время существует ряд работ, посвященных изучению корабельных волн ("усов", волновой след) при различных гидрометеорологических условиях и условиях наблюдения (например [80] и цитированную там литературу) и исследованию рассеяния радиоволн структурами, создаваемыми судами на водной поверхности (см., например, [81]). В [73] проведены подспутниковые эксперименты, показавшие различное поведение СНС в зависимости от характера движения судна (с постоянной скоростью, замедляющееся судно, дрейфующее судно), изучены особенности акустического рассеяния в различных диапазонах звуковых волн. Лидарное зондирование следа за быстроходным катером проводилось, например в [74], где в натурных условиях была исследована эволюция рассеяния лазерного излучения в турбулентной области в течение длительного времени. Данные исследования использовали след в качестве модельного явления и не являются исследованиями механизмов проявления СНС на взволнованной водной поверхности.

В настоящей главе представлены результаты экспериментальных исследований временной динамики геометрических размеров турбулентного следа за надводным судном. Проведен анализ полученных зависимостей ширины и глубины следа от времени, дано сопоставление с результатами ранее выполненных наблюдений. Предложена простая модель, позволяющая рассматривать начальную стадию расширения корабельного следа как диффузию одномерного слоя турбулентности от импульсного источника турбулентной энергии. На основе детального анализа большого объема данных натурных экспериментов установлено наличие средних циркуляционных течений («роликов»), приводящих к формированию поверхностного образа СНС. В ходе лабораторного эксперимента промоделирован процесс формирования средних течений, обусловленных всплытием пелены пузырьков, исследовано взаимодействие пузырькового слоя с поверхностным волнением, на основе данного лабораторного моделирования предложен механизм формирования средних течений в СНС, связанный со всплытием пузырьков.

4.2. Натурные исследования динамики областей интенсивной турбулентности.

Районы и условия проведения экспериментов.

Натурные исследования следов, возбуждаемых надводными судами, проводились в 2006 - 2009 г. в акватории Черного моря (вблизи Голубой бухты, г.

Как следует из приведенных на рис. 4.8 данных наших экспериментов, вначале, на временах менее 400 с, наблюдается степенной (с показателем близким к 0,4) рост ширины следа. Изменение усредненной глубины следа при этом незначительно, что можно объяснить несколькими факторами. Во-первых, в приповерхностном слое всегда присутствует слабая стратификация, которая может ограничивать расширение турбулентности вниз. Во-вторых, за счет повышенной концентрации пузырьков воздуха жидкость в следе оказывается легче окружающей жидкости, что также затрудняет заглубление турбулентной области. В-третьих, заглублению- турбулентности, возможно, препятствует поле обтекания корпуса судна, создающее дополнительный приток жидкости снизу в пределах следа.

В рамках данной- работы* не производились измерения параметров стратификации и концентрации пузырьков. Однако, можно, сравнить степени влияния первого и второго факторов. Отметим, что падение температуры на. глубине 3-4 метра составляет 0,5 - ГС, что соответствует перепаду плотности порядка 10^. Из, оценки по данным экспериментов [83] следует, что уменьшение плотности ^ воды в следе из-за наличия пузырьков составляет порядка Ю-6, это говорит о существенно большем влиянии температурной стратификации на расширение следа вниз. В рамках данной- работы постоянство глубины следа на начальной стадии расширения принимается как эмпирический факт.

Таким образом, след с учетом слабогоизменения его глубины на начальном' этапе можно приближенно описывать как плоский слой турбулизованной, жидкости.

Наряду с данными описанных экспериментов, нами был проведен анализ выполненных ранее натурных наблюдений следов' надводных кораблей, выполнявшихся при проведении экспериментов в [83]; в работе использовалась методика, аналогичная' описанной в данной работе, зондирование производилось акустическим оборудованием при пересечениях и при движении вдоль следа, в режиме бокового обзора.

Как можно видеть из рис. 4.8, зависимости [70] отвечают существенно большим временам развития следа и близки к степенным зависимостям с показателем 0,15 - 0,2. Характерный переход от ~ /°'4 к ~ Р'2 хорошо виден на сделано сравнительно недавно, во многом благодаря новым экспериментам, проведенным нами в последние два года в акватории Горьковского водохранилища. На этом судне была возможность устанавливать оборудование для анализа характеристик поверхностного волнения, в том числе и в его следе. Одновременная работа по изучению следа с судна, которое его генерировало, и с моторной лодки, позволила получить принципиально новые результаты, о которых будет рассказано в настоящем разделе диссертационной работы. Получение новых данных, в том числе и о структуре течений в СНС, побудило вернуться к обработке более старых, которые в задаче исследования структуры течений мы ранее считали неинформативными. Здесь также удалось сделать ряд ценных выводов.

4.4.2. Структура течений в следе на разных стадиях его развития.

Ранние стадии развития.

Измерение течений в СНС, как и определение геометрических размеров турбулентного следа, проводилось с использованием АБСР. Как уже было отмечено выше, на ранних стадиях развития полученные данные содержали большую ошибку и отбраковывались. Однако при сопоставлении большого числа пересечений следа было отмечено, что ранние стадии развития турбулентной области характеризуются наличием положительных- вертикальных скоростей в области следа. Данный качественный вывод подтвердился анализом ранних стадий всех проведенных экспериментов (около 100 пересечений следов за различными судами) и находился в согласии с гипотезой о «легкости» воды в турбулентном следе, обусловленной пузырьками — плотностная стратификация, которая, в частности, может противодействовать расширению следа вниз (см. подраздел 4.2.3 настоящей главы). Вода в следе за судном, как бы «кипит», при этом на поверхности практически всегда образуется пена - признак выноса ПАВ из толщи на поверхность моря. Помимо "плавучести" следа, обусловленной плотностной стратификацией в среднем, всплытию следа могут способствовать крупные пузырьки воздуха, существующие в области следа в начальный момент времени. Как показывают измерения, скорости всплытия наиболее крупных пузырьков составляют значительные величины (до 40 - 45 см/с) (см., также [69]). V

Как видно из рис. 4.23. слой фитопланктона втягивается в СНС под действием средних течений. При этом, как показали визуальные наблюдения, поверхность воды может очиститься от водорослей после прохождения судна. Указанное явление может приводить к принципиально новым эффектам проявления СНС в условиях заиленных водоемов, что может оказаться существенным для дистанционного зондирования СНС, тем более что в настоящее время многие внутренние водоемы и часть прибрежной зоны океана подвержены интенсивной эвтрофикации (см., например, [85]).

4.5.1. Механизм формирования средних течений в результате всплытия пузырьков воздуха.

Предлагаемый механизм формирования средних течений основывается на том факте, что изначально в СНС присутствуют пузырьки воздуха различных размеров. На ранних стадиях всплывают наиболее крупные пузырьки (с характерными размерами не более 1 см), поскольку скорость их всплытия велика (порядка 0,5 м/с) и сопоставима со скоростями в турбулентной области. Всплытие таких пузырьков может генерировать восходящий поток на "турбулентной" стадии развития следа, который можно объяснить увлечением жидкости крупными пузырьками. Это качественно согласуется с результатами наших измерений средних течений на данной стадии. По мере вырождения турбулентности в следе у более мелких пузырьков появляется возможность всплытия. Мелкие пузырьки (менее 1 мм) обладают сравнительно небольшой скоростью всплытия и длительное время удерживаются турбулентными движениями, но при этом, однако, в среднем изменяют эффективную плотность воды в СНС. За счет наличия мелких пузырьков вода в следе становится легче окружающей, и след всплывает (аналог "плавучей струи"). Этот механизм может относиться к более поздним стадиям развития следа.

Увлекаемая пузырьками и относительно "легкая" жидкость достигает поверхности моря и растекается вдоль нее в направлении поперечном к следу. После этого течение перестает быть "плавучей струей", линии тока такого течения

Зонд ADV устанавливался в бассейне на различных расстояниях от пузырькового слоя, измерение проводилось в среднем за 1 минуту в каждой точке. Измерения проводились через каждые 5 см от пузырькового слоя (вдоль бассейна) через каждые 3 см по глубине. Было сделано 4 разреза вдоль бассейна, на различных расстояниях от его стенок. Измерение скоростей в верхнем слое жидкости проводилось с использованием видеосъемки (с частотой 25 Гц) движения полиэтиленовых частиц (~ 3 мм) с последующим анализом отдельных кадров видеозаписи.

Была проведена серия экспериментов по изучению взаимодействия поверхностных волн с пузырьковым слоем. Для генерации волн использовался управляемый волнопродуктор, регистрация возвышений поверхности велась с использованием струнных волнографов (см. главу 2 настоящей работы), анализ характеристик выносимых пузырьками ПАВ на поверхность воды проводился с использованием сеточной методики и метода параметрически возбуждаемых волн [35].

Характеристики пузырькового слоя.

По видеозаписям пузырькового слоя оценивались концентрация пузырьков и скорости их всплытия. Отдельные кадры видеозаписей продольной и поперечной проекций пузырькового слоя представлены на рис. 4.26. Объемная концентрация воздуха в пузырьковом слое в наших экспериментах составила ~ 1%. Пузырьковый слой характеризовался узким распределением пузырьков по размерам, гистограмма представлена на рис. 4.27. Средний диаметр пузырьков в слое составил 4.2 мм.

Рис. 4.25. Фотографии пузырькового слоя: а — вид сбоку; б - вид в плоскости слоя. расстояние, см

Рис. 4.27. Поле средних скоростей, создаваемое всплывающими пузырьками воздуха. Вид на бассейн сбоку.

Из рис. 4.27 видно, что среднее течение имеет «роликовую» структуру, при этом скорости течения в толще воды составляют 2-3 см/с. Следует отметить, что течение симметрично относительно плоскости слоя, то есть слой всплывающих пузырьков формирует вблизи себя «роликовую» структуру, состоящую из двух крупных «вихрей».

Как было показано в работе [86], слой всплывающих пузырьков может быть использован в качестве пузырькового насоса для перекачки глубинных вод на поверхность моря. Наши данные также указывают на это, но здесь стоит оговориться - с учетом «роликовой» структуры течения и стратификации в толще моря процесс скорее будет перемешиванием верхнего слоя.

В работе [87] показана возможность использования пузырькового слоя в качестве волнолома. Следует отметить, что измеренные в толще воды величины скоростей не указывают на возможность создания такого волнолома в силу малости средних скоростей в толще воды. Однако измерения в верхнем слое показали существенно большие значения скорости. На рис. 4.28 показаны поля средних скоростей на глубине 3 см (а), 2 см (б), измеренные ADV, а на рис. 4.29 поле средних скоростей в верхнем слое ~ 0.3 см, измеренное посредством обработки видеозаписей. масштаб скорости

0.1 3.5 расстояние, см б

Рис. 4.28. Поля средней скорости в верхнем слое воды (вид на бассейн сверху): а - на глубине 3 см (по данным ADV); б - на глубине 2 см (по данным ADV). масштаб скорости расстояние, см

Рис. 4.29. Течения в верхнем 3 мм слое (по данным видеозаписи движения частиц).

Данные о скоростях показывают существенное (на порядок) увеличение скорости жидкости при приближении к поверхности, где скорость имеет максимум скорости с величиной порядка 30 см/с. Зависимости продольной компоненты средней скорости при удалении от пузырькового слоя имеют вид (см. рис. 4.30).

- На основе анализа данных о скоростях средних течений, предложен физический механизм их формирования за счет всплытия пузырьков воздуха в следе. Реализуемость данного механизма продемонстрирована в ходе качественного лабораторного эксперимента по моделированию средних течений создаваемых пузырьковой пеленой. В эксперименте получены сулой и слик на границе пузырьковой области, создаваемые неоднородным средним течением и пленкой ПАВ, выносимой пузырьками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ниже перечислены основные результаты диссертации:

1. В ходе лабораторных экспериментов выявлен закон изменения толщины турбулизованного слоя со временем в однородной жидкости. Установлено, что при непрерывном действии источника турбулентности толщина слоя растет по степенному закону, близкому к / 06, а при кратковременном действии источника («импульсный» режим возбуждения турбулентности) начальная стадия расширения турбулентного слоя описывается степенным законом, близким к г1 °'4. Предложена нормировка экспериментальных зависимостей, позволившая определить связь параметров источника и характеристик турбулентности. Дано экспериментальное подтверждение существования различных режимов эволюции турбулентного слоя в жидкости с плотностной стратификацией - полное или частичное прохождение, «запирание».

2. На основе анализа уравнений полуэмпирической теории турбулентности дано модельное описание полученных экспериментально зависимостей толщины турбулизованного слоя от времени. Показано, что они следуют из уравнения баланса турбулентной энергии без учета диссипации и в предположении постоянства масштаба турбулентности. При этом непрерывное возбуждение турбулентности описывается в рамках модели с учетом граничного условия постоянства потока турбулентной энергии в области источника турбулентности, а «импульсный» режим возбуждения турбулентности удовлетворительно описывается в рамках модели с начальным условием.

13. Thompson D. R., Gasparovic R.F. Intensity modulation in SAR images of internal waves //Nature. 1986. V. 320. No. 6060. P. 345 - 348.

14. Lyden, J.D., Hammond R.R., Lyzenga D.R., Shuchman R.A. Synthetic aperture radar imaging of surface ship wakes // J. Geophys. Res. 1988. V. 93, No. CIO. P. 12293 -12303.

15. Баренблатт Г.И., Бенилов А.Ю. Влияние внутренних волн на неоднородности гидрофизических характеристик поверхности океана // Воздействие крупномасштабных внутренних волн на морскую поверхность. Горький, ИПФ РАН, 1982. С. 52-73.

16. Носов М.А., Скачко С.Н. Аномалии температуры поверхности океана и подводные землетрясения // Физическая экология (физические проблемы экологии). Изд - во физического факультета МГУ. 1999. № 4. С. 76-84.

17. Rouse Н., Dodu J. Turbulent diffusion across a density discontinuity // La Houille Blanche. 1955. V. 10. P. 522-532.

18. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях. М.: Мир, 1977. 431 с.

19. Зацепин А.Г., Крылов А.Д. Внутриводное ледообразование вследствие дифференциального обмена теплом и солью через границу раздела между турбулентными слоями.// Океанология. 1992. №32, Вып.1. С. 60-67.

20. Баренблатт Г.И. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. Теория и приложения к геофизической гидродинамике. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 190 с.

21. Dickinson S.C., Long R.R. Laboratory study of the growth of a turbulent layer of fluid//Phys. Fluids. 1978. V.21. № 10. P. 1698-1701.

22. Воропаев С.И., Гаврилин Б.Л., Зацепин А.Г., Федоров К.Н. Лабораторное исследование углубления перемешиваемого слоя в однородной жидкости // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1980. Т. 16. № 2. С. 197-200.

23. Баренблатт Г.И. Некоторые новые задачи турбулентности в жидкости с сильно устойчивой стратификацией // Нелинейные волны: Самоорганизация. М.: Наука, 1983. С. 191-203.

24. Островский Л.А., Степанянц Ю.А., Цимринг Л.Ш. Взаимодействие внутренних волн с течениями и турбулентностью в океане // Нелинейные волны: Самоорганизация. М.: Наука, 1983. С. 203-237.

25. Монин A.C., Яглом A.M." Статистическая гидромеханика. Т. 1. М.: Наука, 1965. 345 с.

26. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 6. М.: Наука, 1986. 735 с.

27. Lyden J.D., Hammond R.R., Lyzenga D.R., Shuchman R.A. Synthetic aperture radar imaging of surface ship wakes // J. Geophys. Res. 1988. V. 93 (CIO) P. 12293-12303.

28. Scully-Power P. Navy Oceanographer Shuttle Observations, STS 41-G, Mission Report Naval Underwater Systems Center Tech. Rep. NUSC TD 7611, 1986. 71 pp.

29. Vesecky J.E., Stewart R.H. The observation of ocean surface phenomena using imagery from the SEASAT synthetic aperture radar // J.Geophys. Res. 1982. V.87(C5). P.3397-3430.

30. Боев А.Г. О гашении поверхностных волн сильной турбулентностью // Изв. РАН ФАО. 1971. №7. С. 31-36.

31. Milgram J.H. Short wave damping in the simultaneous presence of a surface film and turbulence. // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. p. 15717 - 15272.

32. Phillips O.M. The scattering of gravity waves by turbulence // J. Fluid Mech. 1959. V. 5.p.l77-192: , ' '

33. Green Т., Medwin H., Paquin J. Measurments of surface wave decay due to underwater turbulence //Nature Phys. Sei. 1972. V. 237. p. 115 - 117.

34. Olmez H., Milgram J.H. An experimental study of attenuation of short water waves by turbulence // J. Fluid Mech. 1992. V. 239. p. 133 - 156.

35. Ермаков С.А. Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн. Н.Новгород: ИПФ РАН. 2010. 164 с.

36. Adrian R. J. Particle Imaging techniques for experimental fluid mechanics // Annu. Rev. Fluid Mech. 1991. V. 23. p. 261 -304.

37. Maas H.G., Grün A., Papantoniou D., Particle Tracking in three dimensional turbulent flows. Experiments in Fluids. 1993. V. 15, p. 133-146.

38. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука: 1969. 742 с.

39. Бондур В.Г. Аэрокосмические методы в современной океанологии. Новые идеи в океанологии. Т.1. Физика. Химия. Биология. М: Наука, 2004. С. 55-117.

40. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Сб. научных статей (ред. Е.А. Лупян, О.Ю. Лаврова). 2006. Вып. 3. Т.1. 373 с. Т.2. 388 с. М.: "Азбука-2000"

41. Ле Блон П., Майсек JL Волны в океане. Т. 1, 2. М.: "Мир". 1981. 480 е., 366 с.

42. Longuet-Higgins М. Parasitic capillary waves: a direct calculation. // J. Fluid Mech. 1995. V.301.P.79-107.

43. Duncan J.H., Qiao H., Philomin V., Wenz A. Gentle spilling breakers: crest profile evolution// J. Fluid Mech. 1999. V. 379. p. 191 222.

44. Федоров K.H., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана. JI. Гидрометеоиздат, 1988. 304 с.

45. Приповерхностный слой океана. Физические процессы и дистанционное зондирование. Н.Новгород: ИПФ РАН. 1999. 444 с.

46. Kimmoun О., Branger Н.А. Particle image velocimetry investigation on laboratory surfzone breaking waves over a sloping beach // J. Fluid Mech. 2007. V. 588. p. 353-397.

47. Longuet-Higgins M.S., Cleaver R.P. On the crest instabilities of steep surface waves // J. Fluid Mech. 1997. V.336. p.51 - 68.

48. Longuet-Higgins M.S., Cleaver R.P. On the crest instabilities of gravity waves. Part 1. The almost-highest wave. // J. Fluid Mech. 1994. V.158. p.l 15 - 129.

49. Duncan J.H. Spilling breakers // Annu. Rev. Fluid Mech. 2001. V. 33. p. 519 47.

50. Rapp R J., Melville W.K. Laboratory measurements of deep-water breaking waves // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1990. V. A311. p. 735 800.

51. Rozenberg A. D., Ritter M. J., Melville W. K., Gottschall С. C., Smirnov A. V. Free and bound capillary waves as microwave scatters: laboratory studies // IEEE transaction on geoscience and remote sensing, 1999. V. 37. No. 2. P. 1052-1065.

52. Kwoh D. S. W., Lake В. M. Microwave scattering from short gravity waves // IEEE J. Oceanic Eng. 1984. Vol. OE-9. P. 291-308.

53. Gade M., Alpers W., Ermakov S.A., Huehnerfuss H., Lange P. Wind-wave tank measurements of bound and freely propagating short gravity-capillary waves // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. No.ClO. P. 21697-21709.

54. Plant W. J., Dahl P. H., Keller W. C. Microwave and acoustic scattering from parasitic capillary waves // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. No. CI 1. P. 25853-25866.

55. Melville W. K., Loewen M. R., Felizardo F.C., Jessup А. Т., Buckingham M. J. Acoustic and microwave signature of breaking waves //Nature. 336. 1988. P. 54-59.

56. Walker D. Т., Lyzenga D. R., Ericson E. A., Lund D. E. Radar backscatter and surface roughness measurements for stationary breaking waves // Proc. R. Soc. Lond. A. 452. P. 1953-1984.

57. Kudryavtsev V., Johannessen J. On effect of wave breaking on short wind waves. // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. L20310. doi: 10.1029/2004GL020619.

58. Пелиновский E.H. Линейная теория установления и изменчивости ветрового волнения при слабом ветре. Изв. АН СССР ФАО. 1978. Т. 14. № 11. С.1167-1176.

59. Захаров В.Е., Заславский М.М. Кинетическое уравнение и колмогоровские спектры в теории слабой турбулентности ветровых волн. Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана. 1982.Т.18.С.747-753.

60. Phillips О.М. Spectral and equilibrium properties of the equilibrium range in the wind-generated gravity waves. J. Fluid Mech. 1985. V.156. P. 505-531.

61. Donelan M.A., Pierson W.J. Jr. Radar scattering and equilibrium ranges in windgenerated waves with application to scatterometry. J.Geophys. Res. 1987.V.92. P.4971-5029.

62. Кудрявцев B.H. Физическая модель спектра капиллярно-гравитационной ряби. Мор. гидрофиз. журн. 1996. №2. С. 3- 14.

63. Rapp R. J., Melville W. К. Laboratory Measurements of Deep-Water Breaking Waves. //Phil. Trans. R. Soc. Lon. 1990. V. 331 A, No. 1622. P. 735-800.

64. Ю.М. Жидко, А.И. Калмыков, М.Б. Каневский, А.П. Пичугин, А.Н. Цымбал Радиолокационное зондирование океана. Дистанционные методы исследования океана. Сборник научных трудов. Горький: ИПФ АН СССР, 1987. с. 5-33.

65. Басс Ф. Г., Фукс И. П. Рассеяние волн на статически, не ровной поверхности. М.: Наука. 1972. 424 с.

66. Gade М., Alpers W., Ermakov S.A., Huehnerfiiss Н., Lange P. Wind-wave tank measurements of bound and freely propagating short gravity-capillary waves // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. No.ClO. P. 21697-21709.

67. Ермаков C.A., Рувинский К.Д., Салашин С.Г., Фрейдман Г.И. Экспериментальное исследование генерации капиллярно-гравитационной ряби сильнонелинейными волнами на поверхности глубокой жидкости. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1986. Т.22. N10. С. 1072-1080.

68. Charnotskii M., Naugolnikh К., Ostrovsky L., Smirnov A. On the cascade mechanism of short surface wave modulation. // Nonlinear Processes in Geophysics. 2002. V.9. P.281-288.

69. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. M.: Физматгиз, 1959. 699 с.

70. Peltzer R.D., Griffin О.М., Barger W.D:, Kaiser J.A.C. High resolution measurements of surface-active film redistribution in ship wakes // J. Geophys. Res. 1992. V. 97, No. C4. P. 5231-5252.

71. Twenty-Fourth Symposium on Naval Hydrodynamics. Bruce M. Alberts: Washington D.C.: National Academic Press, 2003. 1026 p.

72. Marmorino G.O., Trump C.L. Preliminary Side-Scan ADCP Measurements across a Ship's Wake. // J. Atmos. Oceanic Technol. 1996. V. 13, p. 507-513.

73. A'. Soloviev, M. Gilman, K. Young, S. Brusch, S. Lehner Sonar measurements in ship wakes synchronous with terrasar-X. overpasses. http://sss.terrasar-x.dlr.de/papers sci meet3/paper/OCE143 soloviev.pdf

74. Bunkin A.F., Klinkov V.K., Luk'yanenko V.A., Pershin S.M. Eidar observation of the bubble trace in the sea surface layer. //Physics of Wave Phenomena. 2010. T. 18. № 3. G. 230-235:

75. Toporkov, J. V., Hwang, P. A., Sletten, M. A., Farquharson, G., Perkovic, D., Frasier, S. J. Surface Velocity Profiles in a Vessel's Turbulent Wake Observed by a Dual-Beam Along-Track Interferometric SAR. // Geoscience and Remote Sensing Letters. 2010; V.7. 1.4. p. 1-5.

76: Smirnov, A., Shi, S., and Celik, I., Random Flow Generation Technique for Large Eddy Simulations and Particle Dynamics Modeling. //J. of Fluids Eng., V. 123. 2001. p. 359-371. :

77. Ткаченко И.В., Гурьев Ю.В: Моделирование обтекания тел вращения потоком стратифицированной жидкости на основе метода, крупных вихрей. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2008. Т. 1. № 1. G.,80-87. 78; Гурьев Ю.В., Слуцкая М.З., Ткаченко И.В. Гидродинамические проблемы создания компьютерных тренажеров морских объектов и пути их решения. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2008. Т. 1. № 2. С. 29-44. 79. Справочник по теории корабля. Т. 1. Л.: Судостроение, 1985. 764 с.

80.1. Hennings, R. Romeiser, W. Alpers, A. Viola Radar imaging of Kelvin arms of ship wakes. // Int. J. of Remote Sensing, 1999, V. 20, N. 13, p. 2519-2543.

81. Гутник В.Г., Горобец B.H., A.B. Гутник, A.C. Курекин Некоторые особенности обратного рассеяния радиоволн СВЧ диапазона гидродинамическими образованиями надводных объектов. // Радиофизика и радиоастрономия. 2005. Т.10. № 3. С. 325-333.

82. УрикР. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 445 с.

83. Езерский А. Б., Сандлер Б.М., Селивановский Д.А. Эхолокационные наблюдения газовых пузырьков вблизи; морской поверхности // Акустический журнал, Т. 35, вып. 5, 1989. С. 829 - 833.

84. Проявление глубинных процессов на морской поверхности. Н.Новгород: ИПФ РАН. 2007. С.

85. C.B. Станичный, Ю.Б. Ратнер, Д.М. Соловьёв, P.P. Станичная, A.A. Кубряков, А.Ю. Антонюк Дистанционный мониторинг процессов и явлений в морских экосистемах. // Сборник тезисов 8 открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 2010 г. С. 3 — 4.

86. Бялко A.B. Ламинарные цепочки пузырьков: логарифмически точное решение. // Доклады Академии наук. 2011. Т. 436. № 6. С. 747-752.

87. Taylor G. The action of a surface current used as a breakwater. // Proc. Roy. Soc. 1955. P. 466-478.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1*. Ермакова О.С., Капустин И.А., Папко В.В. О динамике турбулентного слоя в однородной и стратифицированной жидкости // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44, № 5. с. 629 - 640.

3*. С.А. Ермаков, И.А. Капустин, И.А. Сергиевская Лабораторное исследование радиолокационного рассеяния сильно нелинейными волнами на поверхности воды. //Изв. РАН Сер. Физическая. 2010. Т. 74. № 12. с. 1765-1768.

4*. Ермаков С.А., Капустин И.А. Экспериментальное исследование расширения турбулентного следа надводного судна. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. №4. с. 565-570.

6*. Ермакова О.С., Ермаков С.А., Капустин И.А., Троицкая Ю.И. Лабораторное исследование движения фронта турбулентной области в однородной жидкости. // Сборник трудов девятой конференции по радиофизике, 2005 г. С. 255-256. 7*. Ермакова О.С., Капустин И.А., Ермаков С.А., Троицкая Ю.И. Исследование динамики фронта одномерной изотропной турбулентности в однородной жидкости // Сборник трудов десятой конференции по радиофизике, 2006 г. С. 33-34. 8*. Ермакова О.С., Ермаков С.А., Капустин И.А., Папко В.В., Троицкая Ю.И. Экспериментальное исследование трансформации плотностной структуры под действием турбулентных возмущений. // Сборник трудов одиннадцатой конференции по радиофизике, 2007 г. С. 167-169.

9*. Ермаков С.А., Капустин И.А. О влиянии крупномасштабных вихрей на динамику фронта турбулентности. // Сборник трудов двенадцатой конференции по радиофизике, 2008 г. С. 184-186.

10*. С.А. Ермаков, И.А. Капустин, Т.Н. Лазарева, О.В. Шомина Лабораторное исследование, гашения, волн турбулентностью. // Сборник трудов четырнадцатой конференции по радиофизике. 2010. С. 196-197.

11*. Ермакова О.С., Капустин И.А., Папко В.В. О динамике турбулентного слоя в однородной и стратифицированной жидкости. // Препринт ИПФ РАН № 740. 2007. 20 с.

12*. С.А. Ермаков, И.А. Капустин Экспериментальное исследование расширения турбулентного следа надводного судна. // Препринт ИПФ РАН № 779. 2009. 12 с. 13*. Ермакова О.С., Ермаков С.А., Капустин И.А., Троицкая Ю.И., Экспериментальное исследование динамики турбулизованного слоя в жидкости с солевой стратификацией. // XII Нижегородская сессия молодых ученых, тезисы докладов, 2007 г.

14*. Ермаков С.А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н., Сергиевская И.А., Макаров Е.В. Натурные исследования динамики турбулентного следа за надводными судами и его проявлений на морской поверхности. // Сборник тезисов 5 открытой конференции по дистанционному зондированию Земли из космоса, 2007 г. 15*. Ермаков С.А., Капустин И.А., Исследование динамики области сильной турбулентности, возбуждаемой движущимся надводным судном. // XIII Нижегородская сессия молодых ученых, тезисы докладов, 2008 г. 16*. Капустин И.А., Натурные исследования динамики области турбулентности, возбуждаемой надводным судном. // Фундаментальные и прикладные задачи нелинейной физики, тезисы докладов конференции молодых ученых, 2008 г. 17*. Капустин И.А., Ермаков С.А. О динамике турбулентности, возбуждаемой надводным судном. Натурные наблюдения и лабораторный эксперимент. // Сборник тезисов 6 открытой конференции по дистанционному зондированию Земли из космоса, 2008 г.

18*. Ермаков С.А., Капустин И.А. Экспериментальное исследование динамики турбулентных слоев в жидкости. // XIV Нижегородская сессия молодых ученых, тезисы докладов, 2009 г. С. 39-39.

19*. С. А. Ермаков, И. А. Капустин Исследование турбулентного следа надводного судна по его проявлению на поверхности и в приповерхностном слое. // Сборник тезисов четвертой межведомственной конференции «Проявление глубинных процессов на морской поверхности», 2009 г. С. 7-7.

20*. Ермаков С.А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н., Макаров Е.В., Сергиевская И.А. Поверхностные проявления турбулентного следа надводного судна. // Сборник тезисов 7 открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 2009 г.

21*. I. Sergievskaya, S. Ermakov, I.Kapustin Radar Probing of Steep Gravity Waves. Wave Tank Experiment. EuRad proceeding, Paris, September 2010, p. 17-20. (on CD). 22*. С. А. Ермаков, И. А. Капустин, И. А. Сергиевская Лабораторное исследование радиолокационного рассеяния на сильно нелинейных волнах на поверхности воды. // Труды школы-семинара "Волны-2010". 2010 г. С. 28-31. (На CD). 23*. Капустин И.А., Ермаков С.А., Сергиевская И.А. Об особенностях рассеяния радиолокационных сигналов сильно-нелинейными гравитационно-капиллярными волнами // Сборник тезисов 8 открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 2010 г. С. 210-211. 24*. Шомина О.В., Ермаков С. А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н. Экспериментальное исследование затухания волн под действием турбулентности // Сборник тезисов 8 открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 2010 г. С. 232-232. 25*. С. А. Ермаков, И. А. Капустин, Т.Н.Лазарева Поверхностные проявления следа за надводным судном // XV Нижегородская сессия молодых ученых, тезисы докладов, 2010 г.

Информация о работе

Капустин, Иван Александрович
кандидата физико-математических наук
Нижний Новгород, 2011
ВАК 25.00.29

Диссертация

Экспериментальное исследование динамики локализованных областей турбулизованной жидкости и гравитационно-капиллярных волн в поле турбулентных течений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы