Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию инерционных волн и явления образования концентрированных вихрей во вращающейся жидкости в сосуде при возбуждении ее собственных инерционных колебаний.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Вращательные течения широко распространены в природе и технике. К ним относятся вращающиеся атмосферы планет, различного масштаба атмосферные вихри, океанические вихри, вихревые течения в различных промышленных устройствах и, наконец, различного масштаба вихри в турбулентных течениях. Благодаря столь обширному "послужному списку" вращательных течений необходимость их изучения не вызывает сомнений. Кроме того, хорошо известно и широко представлено в литературе свойство гироскопической упругости, и о вращающейся жидкости сложилось устойчивое представление, как о среде, способной передавать и поддерживать колебательные движения с частотами из инерционного диапазона.
Однако подход к изучению вращающейся жидкости как колебательной системы оказался недостаточно развит, вследствие чего колебания и волны часто рассматриваются как некое изолированное явление, как-бы наложенное на среду и существенно не влияющее на характеристики и свойства последней. В большинстве случаев колебаний с малыми амплитудами такой подход близко соответствует истине и является вполне удовлетворительным. Однако когда амплитуда колебаний не столь мала, последние могут кардинальным образом повлиять на характер поведения, эволюцию, структуру и средние характеристики течений вращающейся жидкости. Наличие колебаний может предопределить и существенно расширить круг фундаментальных и практически значимых свойств таких течений, а их изучение может оказаться весьма плодотворным. Об этом свидетельствуют описанные в диссертации эксперименты.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ: - на основе экспериментальных исследований инерционных волн указать свойства, присущие вращающейся жидкости, как упругой системе, и определяющие средние характеристики и эволюцию ее течений при различных
механических возмущениях.
МЕГГОД ИССЛЕДОВАНИЯ. Достижение поставленной цели сопряжено с изучением трехмерных нестационарных и сильно неоднородных в пространстве течений. Из-за высокой сложности таких течений и несовершенства существующих методов вряд-ли можно ожидать значительное и быстрое продвижение в области теоретического и численного их рассчета. Наиболее эффективно в этих условиях использование физического эксперимента. Поэтому экспериментальный метод исследования в данной работе был основным.
-
Экспериментально найдено явление образования концентрированных вихрей во вращающейся жидкости вследствие возбужде-, ния ее собственных инерционных колебаний.
-
Получены данные о строении и параметрах нового для гидродинамики объекта - осциллирующего вихря.
-
На основе сравнительного анализа свойств осциллирующего вихря и торнадо предложен принципиально новый физический механизм образования смерчей, позволяющий объяснить их многочисленные свойства и имеющий прямое подтверждение в натурных исследованиях.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ определяется использованием максимально чистых постановок опытов, не допускающих неоднозначной трактовки полученных экспериментальных данных. Обеспеченный при проведении опытов жесткий контроль за входными параметрами эксперимента позволил добиться высокой повторяемости и минимальной погрешности при количественных измерениях.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Научная ценность работы определяется неординарностью полученных экспериментальных результатов.
Поскольку вращающаяся жидкость является упругой системой, возбуждение инерционных колебаний есть естественная ее реакция на практически любое механическое возмущение, содержащее в своем спектре инерционные частоты, достаточно сильное, чтобы преодолеть вязкое сопротивление, но не разрушающее свойства упругости. В работе показано, что собственные инер-
ционные колебания жидкости в сосуде при большой их амплитуде порождают систему, концентрированных осциллирующих вихрей, имеющих в среднем циклоническую или антициклоническую относительную завихренность. Степень концентрации завихренности при этом может быть весьма велика (в 50 раз ), что приводит к увеличению скорости жидкости в несколько раз, т.е. к значительному изменению средних локальных характеристик течения и по сути дела к изменению его структуры.
Отметим, что сам факт появления осциллирующих вихрей не зависит от способа возбуждения и геометрии возбуждаемой моды, и любая из них при подходящих условиях способна породить вихри. Таким образом, эффект формирования концентрированных вихрей во вращающейся 'жидкости достаточно универсален и может проявляться для весьма широкого класса механических возмущений. И эта универсальность создает предпосылки для выработки общих критериев возникновения или невозникновения концентрированных вихрей, которые весьма полезны как для науки, так и для практики.
Эксперименты показали, что несмотря на существенное изменение средних локальных характеристик течение сохраняет некоторые черты доминирующей моды колебаний, присущие линейной инерционной волне. Это дает возможность анализировать структуру течений вращающейся жидкости, ориентируясь на уже разработанную линейную теорию инерционных волн. При известных характеристиках возмущения это позволяет также указать предположительную структуру результирующего течения, что бывает весьма полезно как при проведении исследований, так и при создании различных технических устройств.
В целом, полученные в работе результаты создают представления о вероятной эволюции и структуре течения при различных возмущениях вращающейся жидкости, поскольку ее реакция на механическое воздействие, как и у других упругих систем, определяется не только параметрами возмущения, но и в значительной степени характеристиками самой системы. Возможность применения модового анализа, а также предложенного в работе волнового числа Рейнольдса и критерия невозникновения вихрей по его пороговому значеншо делают эти представления полезными
и конструктивными.
Для физики атмосферы результаты работы ценны тем, что они раскрывают физический механизм формирования различного масштаба атмосферных вихрей и позволяют указать различные причины и факторы, способствующие их образованию. Кроме того, полученные в работе представления о структуре и поведении осциллирующего вихря дают возможность объяснить и связать между собой многочисленные свойства смерчей. Но смерч или торнадо - лишь наиболее яркий пример атмосферного осциллирующего вихря. Наличие же в атмосфере большого количества потенциальных очагов образования подобных вихрей и присутствие необходимых для этого возмущений наводит на мысль о широкой распространенности таких вихрей (пусть и менее интенсивных) и дает возможность по-новому взглянуть на атмосферные процессы конвекции и турбулентности.
Среди областей возможных практических приложений полученных в диссертации результатов следует отметить проблему прогнозирования торнадо, а также задачи создания и подавления концентрированных вихрей в различных технических устройствах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертации, по мере их получения, докладывались: на сессиях Ученого совета ИГиЛ СО РАН; на семинаре проф. Б.А.Луговцова и д.ф.-м.н. Р.М.Гари-пова и на семинаре "Прикладная гидродинамика" в ИГИЛ СО РАН, на семинаре в Гидрометцентре Российской Федерации (1994); на Всесоюзной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1985); на Всесоюзной школе-семинаре "Методы гидрофизических исследований" (Солнечногорск, 1986), на VIII Всесоюзной школе-семинаре по нелинейным волнам (Горький, 1987), на Международной школе-семинаре "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости" (Москва, 1992). Часть результатов была удостоена III премии конкурса фундаментальных работ молодых ученых СО АН СССР по физико-математическим наукам (1988).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы работы [1-6].
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, из которых список литературы занимает 13
страниц, иллюстрации - 23. Список литературы содержит 112 наименований.