Потоки углового момента во вращающемся слое с локализованным нагревом
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.4.42Ключевые слова:
циклонический вихрь, локализованный нагрев, вращение, PIV, FlowVision, угловой моментАннотация
В работе рассмотрены потоки углового момента во вращающемся слое с локализованным источником тепла. Как известно, ключевым для формирования азимутальных течений во вращающемся слое является транспорт углового момента благодаря меридиональной циркуляции. Перенос углового момента, его стоки и источники существенно зависят от начальных и граничных условий. Основная цель работы заключается в анализе распределения и потоков углового момента в жидкости и на границах слоя при различных значениях управляющих параметров. Исследование проводилось путем лабораторного эксперимента и численного моделирования в отечественном CFD пакете FlowVision. Экспериментальная модель представляла собой цилиндрическую кювету радиусом 15 см, установленную на стенде, обеспечивающем строго равномерное вращение в широком диапазоне скоростей. Толщина слоя жидкости составляла 3 см, верхняя граница была свободной. В качестве рабочих жидкостей использовались различные силиконовые масла. Измерения полей скорости производились при помощи PIV системы «Полис». Экспериментальные измерения и численное моделирование показали, что их результаты хорошо согласуются между собой и подтверждают особую важность радиального переноса углового момента в формировании интенсивного вихря. Обнаружено, что распределение углового момента зависит от управляющих параметров. Так, в результате уменьшения вязкости жидкости, увеличения мощности нагрева или скорости вращения модели распределение углового момента становится неоднородным, что приводит к потере осесимметричности вихря или его распаду. Для описания эволюции структуры вихря проведено детальное изучение переноса углового момента меридиональной циркуляцией, определено расположение стоков и источников углового момента в вязких пограничных слоях вблизи дна и боковых стенок. Исследована структура локализованного циклонического вихря при уменьшении вязкости рабочей жидкости. Продемонстрировано, что потеря устойчивости циклонического вихря связана с перестройкой структуры радиального течения.
Скачивания
Библиографические ссылки
Turner J.S., Lilly D.K. The carbonated-water tornado vortex // J. Atmos. Sci. - 1963. - Vol. 20. - P. 468-471. DOI
2. Morton B.R. Model experiments for vortex columns in the atmosphere // Nature. - 1963. - Vol. 197. - P. 840-842. DOI
3. Hadlock R.K., Hess S.L. A laboratory hurricane model incorporating an analog to release of latent heat // J. Atmos. Sci. - 1968. - Vol. 25, no. 2. - P. 161-177. DOI
4. Brickman D., Kelley D.E. Development of convection in a rotating fluid: scales and pattern of motion // Dynam. Atmos. Oceans. - 1993. - Vol. 19, no. 1-4. - P. 389-405. DOI
5. Brickman D. Heat flux partitioning in open-ocean convection // J. Phys. Oceanogr. - 1995. - Vol. 25. - P. 2609-2623. DOI
6. Boubnov B.M., van Heijst G.J.F. Experiments on convection from a horizontal plate with and without background rotation // Exp. Fluids. - 1994. - Vol. 16, no. 3. - P. 155-164. DOI
7. Богатырев Г.П. Возбуждение циклонического вихря или лабораторная модель тропического циклона // Письма в ЖЭТФ. - 1990. - Т. 51, № 11. - С. 557-559.
8. Богатырев Г.П., Попова Э.В. Исследование поля скорости в лабораторной модели тропического циклона // Вестник ПГУ. Физика. - 1994. - № 2. - С. 141-150.
9. Богатырев Г.П., Смородин Б.Л. Физическая модель вращения тропического циклона // Письма в ЖЭТФ. - 1996. - Т. 63, № 1. - С. 25-28. DOI
10. Богатырев Г.П., Колесниченко И.В., Левина Г.В., Сухановский А.Н. Лабораторная модель процесса образования крупномасштабного спирального вихря в конвективно-неустойчивой вращающейся жидкости // Известия РАН. ФАО. - 2006. - Т. 42, № 4. - С. 460-466. DOI
11. Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Laboratory study of a steady-state convective cyclonic vortex // Q. J. Roy. Meteor. Soc. - 2016. - Vol. 142, no. 698. - P. 2214-2223. DOI
12. Williams G.P. Thermal convection in a rotating fluid annulus: Part 1. The basic axisymmetric flow // J. Atmos. Sci. - 1967. - Vol. 24. - P. 144-161. DOI
13. Williams G.P. Thermal convection in a rotating fluid annulus: Part 2. Classes of axisymmetric flow // J. Atmos. Sci. - 1967. - Vol. 24. - P. 162-174. DOI
14. Williams G.P. Thermal convection in a rotating fluid annulus: Part 3. Suppression of the frictional constraint on lateral boundaries // J. Atmos. Sci. - 1968. - Vol. 25. - P. 1034-1045. DOI
15. Read P.L. Super-rotation and diffusion of axial angular momentum: I. ”Speed limits” for axisymmetric flow in a rotating cylindrical fluid annulus // Q. J. Roy. Meteor. Soc. - 1986. - Vol. 112, no. 471. - C. 231-252. DOI
16. Сухановский А.Н. Формирование дифференциального вращения в цилиндрическом слое жидкости // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2010. - Т. 2, № 2. - C. 103-115. DOI
17. Batalov V., Sukhanovsky A., Frick P. Laboratory study of differential rotation in a convective rotating layer // Geophys. Astro. Fluid. - 2010. - Vol. 104, no. 4. - P. 394-368. DOI
18. Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Horizontal rolls over localized heat source in a cylindrical layer // Physica D. - 2016. - Vol. 316. - P. 23-33. DOI
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2016 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
