Физики рассказали, как управлять вихрями в двумерной турбулентности

Турбулентность — кажущееся беспорядочным движение воды и воздуха, которое возникает, когда потоки вещества начинают двигаться с очень высокой скоростью. В состоянии турбулентности потоки жидкости постоянно перемешиваются, ломаются, вихри распадаются на маленькие, иногда исчезают или, наоборот, собираются в крупные. 

Хотя ученые знают условия возникновения турбулентных потоков, для описания их поведения и эволюции приходится использовать сложные математические модели со множеством параметров. Чтобы понять поведение реальных систем, например атмосферы и океанов Земли, исследователи моделируют динамику турбулентности в упрощенном виде — изучают ее на плоскости вместо объема.

Законы турбулентности в трехмерных и двумерных системах кардинально различаются. В трехмерных турбулентных системах энергия движется по прямому каскаду: большие потоки склонны распадаться на маленькие, энергия которых после выделяется в виде тепла. В плоских системах турбулентность проявляется иначе. Двумерная конфигурация заставляет энергию перемещаться по обратному каскаду: мелкие вихри стремятся объединяться в крупные. 

Научный сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау РАН и Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ Владимир Парфеньев и студентка магистратуры факультета физики НИУ ВШЭ Алиса Шиканиан смоделировали поведение турбулентных вихрей на плоскости. Они изучили динамику жидкости в квадратной ячейке. Работа опубликована в журнале Physics of Fluids.

Ученые рассмотрели случай, в котором к двумерной системе прикладывают постоянный внешний крутящий момент, как будто потоки дополнительно закручивают извне. Оказалось, что добавление совсем небольшого внешнего подкручивания способно увеличить время жизни крупных вихрей и стабилизировать поведение системы. 

Математическое моделирование позволило определить, как толщина пограничного слоя у стенок, где происходит рассеяние энергии, зависит от параметров изучаемой системы. Скорость жидкости у границ в проведенном моделировании вела себя так же, как в лабораторных экспериментах с мыльными пленками других исследовательских групп: увеличивалась при удалении от стенок по закономерностям одного типа. При этом в системе образовывались крупные вихри, обратный каскад энергии не останавливался и доходил до размеров системы.

«Самый важный для нас результат — точное понимание того факта, что трения жидкости только о стенки недостаточно для остановки обратного каскада энергии в двумерной системе, вихри жидкости всегда будут стремиться собраться в крупные структуры. Так или иначе энергия в системе накапливается на крупных масштабах — именно так из хаоса образуется порядок», — рассказал Владимир Парфеньев. 

Полученные учеными результаты расширяют понимание процессов, управляющих формированием крупномасштабных структур в двумерной турбулентности, и создают прочный фундамент для будущих исследований в этой области. Занимающиеся науками о Земле ученые смогут использовать результаты работы для уточнения прогностических моделей океанических и атмосферных течений. 

НИУ ВШЭ

487 статей

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram