Введение к работе
Актуальность темы. В 1984 г. К.Н.Федоровым и А.И.Гинзбург были обнаружены своеобразные нестационарные течения в приповерхностном слое океана. Течения, названные грибовидными, были выявлены путем анализа спутниковых изображений (Гинзбург, Федоров,1984) и представляют собой комбинацию узкой струи с парой плоских вихрей противоположного знака горизонтального масштаба от единиц до десятков километров. Дальнейшие исследования (Гинзбург, Федоров, 1984; Федоров, Гинзбург, 1988; Ahinas et ai.f 1987; Милк et ai., 1987) показали, что грибовидные течения (вихревые диполи) достаточно типичны для Мирового океана и являются по мнению Федорова и Гинзбург "чрезвычайно распространенной универсальной формой движения вод океана". Верхний слой океана, в котором в основном удается наблюдать вихревые диполи, является буферным пограничным слоем в глобальной системе океан-атмосфера и имеет определяющее влияние на динамические и тершхалиннке процессы, происходящие во всей толще океана. Ваяное место в динамике верхнего слоя океана должно принадлежать грибовидным течениям прежде всего из-за их замечательной способности весьма эффективно переносить вещество, импульс и тепло на большие расстояния вследствие их узконаправленного действия. За последние 10-15 лет представление об океане как о сильно турбулизированной среде существенно изменилось (Колмогоров, 1949; Монин, Яглом, 1965; Монин, Озмидов, 1981; Оз-кидов, 1989). Оказалось возможным разделять масштабы движений, выделяя так называемые когерентные структуры. По определению Ф. Хуссейна (1989) - это крупномасштабные упорядоченные вихревые движения в поле случайных флуктуации завихренности (то, что понимают как "турбулентность"). Считают, что представления о когерентных структурах в турбулентных потоках должны основываться на том, что эффективные числа Рейнольдса для рассматриваемых движений невелики (Баренблатт и др., 1989), поскольку эффективная вязкость потока создается вихревыми движениями, чей масштаб существенно меньше масштаба основных движений (спектральная яма,Frish, 1985), и может быть весьма значительной величиной (в океане горизонтальная вязкость составляет 10-10 см/с, Федоров, 1963). Вихревые диполи верхнего слоя океана можно отнести к разновидности когерентных структур. В связи с этим, интерес к ним еа последнее время резко возрос. На традиционном Льежском коллоквиуме i9bb
-г -
года по гидродинамике океана было представлено около двух десятков докладов, посвященных натурным, лабораторным и численным исследованиям подобных вихревых структур. Предварительные эксперименты, выполненные нами, показали, что вихревые течения диполь-ной формы являются характерным видом структур, образующихся в результате вырождения сложных неупорядоченных движений в стратифицированной жидкости (лабораторная модель верхнего слоя океана), (рис. I).
Рис. I. Многочисленные вихревые диполи при вырождении нерегулярных движений в тонком слое пресной воды, лежащей на толстом слое соленой.
Измерение характеристик грибовидных течений в океане представляется весьма сложной задачей ввиду сильной нестационарности этих течений. Неудивительно, что несмотря на большое число наблюдений, количественных данных о них явно недостаточно. Поэтому целесообразна постановка лабораторных экспериментов, направленных на изучение динамики таких структур в широком диапазоне изменения определяющих параметров, а также создание достаточно общей теории этого явления, позволяющей не только качественно, но и количественно описать механизм формирования и эволюцию наблюдаемых структур как в лабораторном эксперименте, так и в океане.
Это и определило цель работы, которая заключалась в получении закономерностей динамики вихревых диполей, моделирующих оке-
анские, в условиях стратификации и при наличии вращения средствами лабораторного эксперимента. Целью работы являлось также создание общей теоретической модели, дающей физическое объяснение происходящим при этом процессам.
Это и определило основную задачу исследования, которая заключалась в интерпретации имеющихся данных натурных наблюдений грибовидных течений.
В связи со сказанным, предстояло выяснить закономерности динамики грибовидных когерентных структур путем:
-
экспериментального (лабораторного) изучения вихревых диполей в линейно- и двухслойно стратифицированной жидкости в ламинарном и турбулентном режимах, а также при непрерывном и кратковременном действии источника импульса, генерирующего течение;
-
создания количественной полуэмпирической модели течений, а также теоретического описания возникновения и эволюции плоского вихревого диполя на основе решения уравнений Навье-Стокса для данного класса течений;
-
оценки возможности применения полученных результатов для интерпретации данных натурных наблюдений грибовидных течений*
Научная новизна диссертации.
Предложенные методы лабораторного эксперимента не попользовались ранее, рассмотренные задачи и полученнне в работе закономерности являются новыми.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Анализ данных натурных наблюдений грибогздных течений.
-
Экспериментальная методика воспроизведения и визуализации течений.
-
Экспериментальные данные о поле скорости и плотности в струйной и фронтальной областях грибовидного течения.
-
Полуэмпирическая модель вихревых диполей.
-
Теоретические решения, описывающие плоские течения, индуцируемые "точечными" источниками импульса и массы.
Практическая ценность работы. Найденные количественные соотношения и результаты теоретического анализа могут быть практически применены для описания и прогноза эволюции океанских грибовидных течений, для решения некоторых прикладных задач, связанных с загрязняющими выбросами отработанных вод (экологические задачи),
при построении математических моделей для прогнозов погоды и изменчивости Мирового океана. Полученные в работе результаты также могут иметь значение для понимания физики определенного класса нестационарных вихревых течений стратифицированной вязкой жидкости.
Апробация результатов диссертационной работы проводилась на XI и ХП Конференциях молодых ученых МФТИ (1986, 1987), Конференции молодых ученых Института океанологии АН СССР (1988), Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" (Юрмала, 1988), на семинаре кафедры гидромеханики МГУ (1987), на семинарах в Институте прикладной механики АН СССР (1988), на семинарах Теоретической лаборатории Института океанологии АН СССР (1986-1969), на Всесоюзной школе-семинаре "Методы гидрофизических исследований" (Светлогорск, 1969), на У Европейской конференции по жидкому состояние ^вещества "Исследование турбулентности" (Москва, 1989)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация объемом 107 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения,списка цитированной литературы ( 66 наименований), содержит 25 рисунков к 2 таблицы.
