Капиллярная турбулентность на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4

• Автор: Абдурахимов, Леонид Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 70 с.

Оглавление
Общая характеристика работы
Предисловие
1 Введение
1.1 Спектр малых колебаний заряженной поверхности жидкости, собственные колебания поверхности в цилиндрической ячейке
1.2 Волновая турбулентность
2 Описание экспериментальной методики
2.1 Экспериментальная установка
2.2 Методика регистрации волн
3 Формирование турбулентного каскада на поверхности жидкого гелия-4. Наблюдение локального максимума в спектре капиллярных волн при гармонической накачке поверхности
4 Влияние свойств жидкости на положение высокочастотного края инерционного интервала
5 Влияние спектральной характеристики возбуждающей силы на свойства турбулентного спектра
6 Заключения и выводы Литература

Общая характеристика работы
Объект исследования и актуальность темы. В данной работе представлены результаты экспериментов по капиллярной турбулентности на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4. Интерес к проблеме капиллярной турбулентности объясняется несколькими причинами. При условиях нулевой гравитации именно они являются основным типом поверхностных волн. Также капиллярные волны играют важную роль в динамике морской поверхности, так как вязкостная диссипация существенна именно на масштабах капиллярного диапазона (в отличии от слабозатухающих гравитационных волн). Кроме этого, капиллярные волны интересны как модельная система для проверки предсказаний теории волновой турбулентности, которая описывает широкий класс слабо нелинейных систем не только в гидродинамике, но и в других областях физики (плазма, нелинейная оптика, физика твердого тела и т.д.).
Эксперименты по изучению капиллярной турбулентности на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4 и жидкого водорода представляют особый интерес. В работах по турбулентности в системе капиллярных волн на поверхности жидкого водорода М.Ю. Бражниковым [1-6] была использована оригинальная экспериментальная методика, основанная на возбуждении волн на заряженной поверхности водорода переменным электрическим полем и их последующей регистрации по осцилляциям мощности лазерного луча, отраженного от колеблющейся поверхности. Данная ме-

качки шр ~ 79.7 Гц. Остальные гармоники находятся на частотах, кратных частоте накачки шп = п ■ шр. В рамках теории Захарова [19] этот факт объясняется тем, что закон-дисперсии капиллярных волн и>2 = ^к3 является распадным, и поэтому основной вклад во взаимодействие волн вносят трехволновые процессы - распад волны на две с сохранением суммарного волнового вектора кз = кі + кг и суммарной частоты сэз = ид + (т.е. импульса- и энергии), а также обратный ему процесс слияния двух волн в одну. Следует отметить, что в нашем случае преобладают процессы слияния двух волн в одну, что обеспечивает направленный поток энергии в о;-пространстве от малых частот в сторону высоких частот. В инерционном интервале амплитуды, гармоник зависят от частоты по степенному закону Р2 ~ шт с индексом т ~ —3.7, что согласуется с предсказаниями теории для случай узкополосной накачки [21]. На частотах порядка 4 кГц амплитуды волн значительно снижаются из-за вязкостной диссипации и выходят на уровень аппаратного шума.
Когда амплитуда накачки была уменьшена до 10 В, форма турбулентного спектра изменилась (Рис. 3.3). Высокочастотный край турбулентного каскада сдвинулся в сторону низких частот, что согласуется с предыдущими экспериментами на водороде [2]. Но кроме того, впервые было обнаружено формирование локального максимума в спектре волн на частотах порядка высокочастотного края турбулентного каскада и>ь (показано штриховой кривой на Рис. 3.3). При дальнейшем понижении амплитуды накачки, локальный максимум сдвигался в сторону низких частот. В конце концов, при самых низких амплитудах накачки спектр состоял только из нескольких гармоник, и локальный максимум не наблюдался.