Управление формированием и свойствами турбулентных течений во вращающихся сферических слоях НИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Управление формированием и свойствами турбулентных течений во вращающихся сферических слоях
Результаты этапа: Экспериментально и численно показано влияние частоты и амплитуды модуляции на вид спектров турбулентности, формирующейся при увеличении амплитуды модуляции скорости вращения одной из сферических границ. При определенных величинах амплитуд в инерционном интервале частот спектров (между частотой модуляции и наибольшей из частот вращения сфер) наблюдается постоянный наклон спектров турбулентности. Величина постоянного наклона спектров которого может составлять как -3, что характерно для так называемой «двумерной» турбулентности, так -5/3, что характерно для трехмерной турбулентности. Численно изучен переход к турбулентности, вызванный увеличением амплитуды встречных вращательных колебаний сферических границ относительно состояния покоя. Рассматривался случай равных величин частот и амплитуд модуляции скоростей вращения сфер. С использованием понятия мгновенной частоты/фазы течения установлено, что турбулентность формируется в ограниченной части слоя, за пределами которой течение остается ламинарным (периодическим, с периодом, равным периоду модуляции). Численно обнаружена перемежамость типа «хаос-хаос» в турбулентной части течения - произвольное чередование во времени участков слабой турбулентности с сильной синхронизацией течения модуляцией скорости вращения сфер, и сильной турбулентности со слабой синхронизацией. Предложено использование рассматриваемого подхода, основанного на определении разности мгновенных значений фаз и частот между скоростью вращения сферы и скоростью течения, для определения границ как между турбулентными/не турбулентными областями течения, так и между однородной/неоднородной во времени турбулентностью.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Управление формированием и свойствами турбулентных течений во вращающихся сферических слоях
Результаты этапа: 1. Показано, что при модуляции скорости вращения одной из сферических границ происходит подавление турбулентности в одном из направлений движения – азимутальном. Подавление турбулентности усиливается с возрастанием частоты и амплитуды модуляции, что создает условия для формирования квазидвумерной турбулентности. Так, в случае модуляции скорости вращения внутренней сферы в прямом расчете и эксперименте получены турбулентные спектры, характерные для двумерной турбулентности, с постоянным наклоном -5/3 и обратным каскадом на меньших частотах и наклоном -3 и прямым каскадом на больших частотах. 2. Установлено, что при частоте модуляции, меньшей частоты исходного периодического течения, вид спектров неоднороден по пространству. В случае модуляции скорости внешней сферы в области индуцированной ею циркуляции в прямом расчете и эксперименте наблюдаются спектры, качественный вид которых характерен для турбулентности в верхних слоях атмосферы - с постоянным наклоном "-3" на меньших частотах и "-5/3" на больших частотах, с прямым каскадом на обоих участков инерционного интервала. Вблизи внутренней сферы вид спектра характерен для трехмерной турбулентности - остается участок с постоянным наклоном "-5/3" и прямым каскадом передачи энергии. Установлено, что во всех рассмотренных выше течениях уровень синхронизации между скоростью вращения границы и скоростью течения, определяемый по величине среднеквадратичного отклонения разности частот, различен. Наименьшая синхронизация наблюдается там, где спектры подобны спектрам трехмерной турбулентности, наибольшая – там, где спектры подобны спектрам атмосферной турбулентности. На основании полученных результатов выдвинута гипотеза о том, что свойства турбулентности в верхних слоях атмосферы Земли могут определяться процессом вынужденной синхронизации периодической части атмосферных течений долговременными сезонными вариациями притока солнечного тепла. 3.Разработан метод определения волновой структуры замкнутых осесимметричных течений, основанный на вычислении пространственного распределения мгновенной разности фаз между скоростью сферы и азимутальной скоростью с использованием преобразования Гильберта. Установлена стационарность распределения мгновенной разности фаз в меридиональной плоскости течений и соответствие скачков разности фаз нулевым значениям волновой составляющей азимутальной скорости в момент изменения знака производной скорости вращения. Показана возможность применения метода при очень малых амплитудах колебаний. Применение метода позволяет определить волновые структуры течения путем построения волновых поверхностей, вдоль которых колебания происходят в одной фазе, и узлов, в которых одна из компонент скорости всегда равна нулю. Показано, что в случае модуляции малой амплитуды относительно состояния покоя образуются бегущие затухающие сферические волны. Установлено, что параметры сферических волн совпадают с аналогичными величинами, полученными аналитически Шлихтингом для одномерной волны, вызванной колебаниями плоской стенки. В случае увеличения средней скорости вращения слоя получаемые рассматриваемым методом структуры эволюционируют в сторону формирования инерционных волн. Такие волны характеризуются пересечением волновых поверхностей, наличием узлов и немонотонным изменением разности фаз вдоль сферических границ.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Управление формированием и свойствами турбулентных течений во вращающихся сферических слоях
Результаты этапа: 1. Проведены эксперименты по выявлению влияния шума на выбор волнового числа течения при потере устойчивости. Показано, что в случае вращения внутренней сферы с ускорением увеличение амплитуды шума приводит к уменьшению волнового числа. 2. Проведены численные исследования по влиянию модуляции скорости вращения внутренней сферы на волновую структуру течения. В случае квазипериодической модуляции показана возможность изменения направления распространения волн при увеличении амплитуды модуляции.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".