Экспериментальные исследования спиральных течений жидкости в замкнутых объемах

• Автор: Сухановский, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 108 с. : ил.

Глава I. Экспериментальное исследование винтового течения в тороидальном канале
§ Е1. Обзор литературы
§ Е2. Экспериментальная установка и методика измерений ^ § ЕЗ. Эволюция невинтового потока
§ 1.4. Винтовой нестационарный поток § 1.5. Исследование профилей скорости § 1.6. Выводы по главе
Глава II. Исследование спирального циклонического вихря над локализованным источником тепла

“ §2.1. Обзор литературы
§ 2.2. Экспериментальная установка и методика измерений § 2.3. Режимы течений в неподвижном слое § 2.4. Режимы течений во вращающемся слое
§ 2.5.Исследование влияния спиральных возмущений на циклонический вихрь § 2.6.Изучение полей скорости в неподвижном слое § 2.7.Измерение полей скорости в конвективных потоках во вращающемся слое жидкости § 2.8. Выводы по главе ^ Заключение
Литература

Актуальность работы. В последние десятилетия все большее внимание уделяется роли спиральных течений в различных физических системах. Наиболее ярко это проявляется при изучении природы магнитных полей Земли, Солнца и других астрофизических объектов. На сегодняшний момент наиболее убедительное объяснение этого явления дает теория МГД-динамо, в основе которой лежит взаимодействие спиральных потоков проводящей жидкости. Не меньший интерес представляет теория вихревого гидродинамического динамо, которое может играть важную роль в образовании крупных атмосферных вихрей, таких как тропические циклоны. Как правило, эти явления имеют пороговый характер и возникают при достижении критических параметров. Также надо отметить многоплановость этих процессов, когда на образование крупномасштабного магнитного поля или вихревой структуры влияют одновременно несколько факторов. Так в случае генерации атмосферных вихрей одним из таких факторов являются фазовые переходы влаги в среде. Все это представляет большую сложность для теоретических исследований и численного моделирования и важным шагом для решения этих проблем является проведение лабораторных экспериментов. Одним из первых эксперименты по моделированию геофизических вихрей во вращающемся слое жидкости с локализованным источником тепла проводил Г.П.Богатырев [8-10]. В своих исследованиях он показал, что в такой системе возникает крупномасштабный спиральный вихрь, исследовал его эволюцию при изменении величины нагрева и скорости вращения модели. Качественные исследования влияния спиральных возмущений на такой вихрь начал С.Е. Старцев [52]. Эти эксперименты оставили открытыми ряд интересных
вопросов, поэтому продолжение этих исследований с применением современных методов измерений представляется необходимым и актуальным.
Целью работы является комплексное исследование винтового течения жидкости в тороидальном канале и детальное исследование процесса образования крупномасштабного спирального вихря от локализованного источника тепла во вращающемся слое жидкости. Исследование винтового течения в торе является необходимым этапом по подготовке пермского лабораторного эксперимента по реализации нестационарного МГД-динамо в тороидальном канале. Для реализации динамо эксперимента, требующего больших затрат мощности и больших объемов жидкого металла, необходимо исследовать возможность создания винтового потока на водной модели, в замкнутом тороидальном канале, временную зависимость различных компонент скорости течения, определить осредненные профили скорости, найти оптимальные режимы торможения канала. Исследование спирального вихря от локализованного источника тепла включает в себя изучение влияния на его эволюцию различных факторов, таких, как геометрия модели, неоднородный нагрев и мелкомасштабные спиральные вихри, а также измерения полей скорости с применением современных трассерных методов измерения скорости PIV (Particle Image Velocimetry).
Научная новизна. В диссертационном исследовании получены следующие новые результаты:
1. Доказана возможность создания спирального потока в кольцевом быстро вращающемся тороидальном канале при его резком торможении и установке в канале диверторов. Обнаружено, что спиральное течение во всем канале формируется только после полной остановки канала. Получена зависимость эффективного числа Рейнольдса от времени
до настоящего времени неясно, что ответственно за формирование этих мезомасштабных вихрей - двухмерная неустойчивость Кельвина-Гельмгольца [14] или трехмерная неустойчивость. В серии работ [1-5], выполненных на одной и той же экспериментальной установке, моделировались воздушные интенсивные конвективные вихри влажного типа, подобные тропическим циклонам. Были смоделированы подъемная сила, обеспечивающая всплытие воздушных масс от подстилающей поверхности, и сила Кориолиса. С учетом специфики реальных тропических циклонов подъемная сила моделировалась конвективным способом, т.е. за счет подогрева подстилающей поверхности. Анализ полученных полей скорости, температуры и влажности показал, что лабораторный вихрь может служить физической моделью центральной части нижней тропосферы тропического циклона. Лабораторное моделирование элементов тропического циклона в дифференциально вращающейся системе проводилось в [20]. Различные лабораторные модели исследования физических процессов в тропическом циклоне рассмотрены в [24,25], наибольшее внимание уделялось моделированию «глаза циклона».
Подробные и детальные исследования конвекции во вращающемся слое жидкости описаны в работах Бубнова, Бубнова и Голицына. В работе [37] показано, что действие сил Кориолиса приводит к появлению вихревых движений в горизонтальной плоскости, при этом каждая конвективная ячейка превращается в спиральный вихрь, вытянутый по вертикали. В результате получается вихревая решетка. Направление вращения вихрей в решетке всегда происходило в одном направлении, совпадающем с направлением вращения
кюветы. Числа Рэлея Яа = в этих экспериментах лежали в интервале
40274
10й < Яа < 10", а числа Тейлора Та = —5— в интервале 106 < Та < 1012. Интересно,