Архив семинаров
18 сентября 2023 года, понедельник, online, 11:00
Сергей Вергелес и Иван Воинцев, Ревизия теории неустойчивости, приводящей к циркуляции Ленгмюра
Подвергнута ревизии теория возникновения Ленгмюровской циркуляции, разработанная в конце 1970х – начале 1980х годов A.D.D. Craik, S. Leibovich и другими. Это течение возникает, когда на распространяющуюся в направлении \(Ox\) плоскую поверхностную волну наложено сдвиговое течение, установившееся благодаря действию ветра в том же направлении \(Ox\). Ленгмюровская циркуляция представляет собой наложенные на исходное течение приповерхностные вихри (роллы), оси которых направлены по \(Ox\), на которые наложено модулированное по поперечному горизонтальному направлению \(Oy\) течение в \(Ox\)-направлении. В работах Craik&Leibovich предложено два возможных механизма, приводящих к генерации циркуляции Ленгмюра. CL1-механизм подразумевает, что вместо одной распространяющейся волны есть две примерно равной амплитуды, распространяющиеся под малым углом друг к другу, при этом между ними сохраняется фазовая когерентность. Ленгмюровская циркуляция возникает под действием производимой исходным потоком объёмной силы. CL2-механизм требует только одну волну, при этом циркуляция Ленгмюра возникает посредством неустойчивости. Впоследствии Leibovich в своих работах утверждал, что в условиях морской поверхности сохранение фазовой когерентности между волнами практически невозможно, поэтому основным считается CL2-механизм.
В лабораторных экспериментах, однако, сохранение когерентности между волнами намного более вероятно по причине способа возбуждения волн монохроматическими источниками. Поэтому в нашем теоретическом исследовании мы подвергли ревизии CL2-механизм, учтя рассеяние волны на ленгмюровских роллах и обратное влияние интерференции исходной и рассеянной волн (через модуляцию дрейфа Стокса) на роллы. Следует также отметить, что учёт фазовой когерентности между исходной и рассеянной волнами – не то же самое, что заложено в CL1-механизме, где исходно предполагается наличие двух когерентных между собой волн. Полученный нами инкремент неустойчивости оказывается больше, чем найденный Craik1976 – интерференция между рассеянной и исходной волнами при создании дрейфа Стокса ускоряет процесс нарастания циркуляции. Рассмотренный нами механизм неустойчивости условно можно назвать CL-механизмом, объединяющим в себе CL2-сценарий c элементами CL1-механизма.
06 июля 2023 года, четверг, online, 14:00
Ивченко Николай, аспирант ИТФ РАН, Статистика пассивного скаляра в двумерном сдвиговом течении с учетом флуктуаций, [MP4]
В работе исследуются статистические свойства переноса пассивного скалярного поля постоянным сдвиговым течением со случайными флуктуациями на его фоне. Мы рассматриваем случай двумерного потока, в котором флуктуации гладкие и существенно слабее постоянного сдвига. Такая система моделирует динамику пассивного скаляра внутри течения когерентных вихрей, появляющихся в результате обратного каскада в двумерной турбулентности. Были изучены как распадная задача, так и случай непрерывного внесения в поток флуктуаций скаляра. В каждом из них динамика проявляет сильную перемежаемость, на что указывают вычисленные одноточечные моменты. Представлены как общие качественные свойства парной корреляционной функции в таком течении, так и отдельные количественные результаты, найденные в рамках модели коротко коррелированных во времени флуктуаций.
16 марта 2023 года, четверг, online, 14:00
Иудин Дмитрий Игоревич [LINK], д.ф.-м.н., в.н.с. лаборатории "Атмосферного электричества", ИПФ РАН (Нижний Новгород), Проблемы инициации и развития молнии, [MP4]
Доклад посвящён фундаментальным вопросам инициации и развития молниевого разряда, которые открывают список наиболее важных нерешённых проблем атмосферного электричества. Основные трудности в создании теоретических моделей вызваны тем фактом, что уровень электрической прочности атмосферного воздуха примерно на порядок превышает пиковые значения электрических полей, измеренных в грозовых облаках. Для объяснения процесса возникновения молниевого разряда в разное время было предложено несколько концепций, среди которых выделяются две: гипотеза о зарождении молнии вследствие инициации положительного стримера с поверхности гидрометеора и гипотеза о возникновении молнии в результате развития пробоя на убегающих электронах. Однако ни один из этих подходов в силу тех или иных трудностей не стал общепризнанным или ведущим. Недавно был предложен принципиально новый механизм зарождения молниевого разряда, основанный на индуцированном шумом кинетическом переходе, происходящем в стохастическом поле заряженных гидрометеоров. Предложенный подход выглядит как последовательность переходов разрядной активности с малых пространственных масштабов на всё более протяжённые. Одной из основных особенностей предлагаемой гипотезы является то, что генерация стримеров определяется уровнем мелкомасштабных и мезомасштабных флуктуаций электрического поля в грозовом облаке и практически не зависит от величины крупномасштабного поля. При этом роль крупномасштабного поля заключается в обеспечении взаимодействия возникающих стримеров, когда они начинают развиваться главным образом в заданном им направлении. В заключительной части обсуждается фундаментальная роль асимметрии полярности в процессах инициации и последующего развития молниевого разряда.
9 марта 2023 года, четверг, online, 14:00
А.А. Левченко, Л.П. Межов-Деглин, А.А. Пельменёв, Вихри на свободной поверхности слоя нормального гелия He-I в широкой ячейке, [MP4]
Возникновение термогравитационного конвективного течения в объеме слоя нормального жидкого гелия He-I глубиной \(h \approx (1 – 3)\) см в широкой цилиндрической ячейке, который подогревают сверху в поле силы тяжести в интервале температур \(T_{\lambda} \leq T \leq T_m\), сопровождается возбуждением вихревого течения на свободной поверхности жидкости. Здесь \(T_{\lambda} = 2.1768 \, К\) — температура перехода жидкого \(^4\)He из сверхтекучего He-II в нормальное He-I состояние при давлении насыщенных паров, \(T_m \approx 2.183 \, К\) — температура, при которой плотность He-I проходит через максимум. Конвекция в объеме служит источником энергии, накачиваемой в вихревую систему на поверхности He-I. Нелинейное взаимодействие вихрей на поверхности между собой и с конвективными вихревыми течениями в объеме слоя приводит к формированию на поверхности He-I двух крупномасштабных вихрей (вихревого диполя), размеры которых ограничиваются диаметром рабочей ячейки и в несколько раз превосходят глубину слоя. Это соответствует переходу со временем от режима вихревого течения на «глубокой воде» (вихри на поверхности трехмерного слоя жидкости) к вихрям на поверхности «мелкой воды» (вихри на поверхности двумерного слоя). При дальнейшем подогреве слоя выше \(T_m\) конвективные потоки в объеме быстро затухают, однако вихревое движение на поверхности двумерного слоя He-I сохраняется. В отсутствие накачки энергии из объема полная энергия вихревой системы на поверхности слоя «мелкой воды» со временем затухает по закону, близкому к степенному, вследствие нелинейного взаимодействия крупномасштабных вихрей между собой и трения о стенки ячейки. В результате, при длительных наблюдениях, на поверхности He-I вновь начинают преобладать мелкомасштабные вихри, размеры которых сравнимы или меньше глубины слоя, что соответствует переходу от двумерного к трехмерному слою жидкости. Энергия вихревого течения на поверхности слоя «глубокой воды» затухает по закону, близкому к экспоненциальному. Таким образом, длительные наблюдения за динамическими явлениями на свободной поверхности слоя He-I глубиной порядка нескольких сантиметров в широком интервале температур выше \(T_{\lambda}\) позволили впервые в одном эксперименте изучать возбуждение, эволюцию и затухание вихревых течений на поверхности слоя «глубокой» и «мелкой воды».
В дополнение к опубликованным результатам в докладе планируется представить ранее не публиковавшиеся результаты изучения влияния термоциклирования на вихревое течение на поверхности подогреваемого сверху слоя \(^4\)Не (эволюция вихревых течений на поверхности при плавном повышении температуры слоя от \(Т \sim 2.1 \, K\) до \(T \sim 2.7 \, K\) и последующем охлаждение до \(Т \sim 2.1 \, K\)).
02 марта 2023 года, четверг, online, 14:00
И.А. Ремизов, М.Р. Султанова, А.А. Левченко, Л.П. Межов-Деглин, Взаимодействие инжектированных зарядов с квантовыми вихрями в сверхтекучем гелии вблизи свободной поверхности, [MP4]
Экспериментально исследовано движение инжектированных в сверхтекучий He-II отрицательных и положительных зарядов под свободной поверхностью, а также в объеме слоя жидкости глубиной 3 см в квадратной ячейке размерами 5х5 см в интервале температур от 1.5 до 2.1 K в статических электрических полях. О направлении движения инжектированных зарядов в He-II судили по распределению токов, регистрируемых вертикально ориентированными сегментами приемного коллектора, который был расположен на смежной от точечного источника зарядов стенке ячейки. Обнаружено, что в случае движения положительных зарядов распределение коллекторного тока по сегментам совпадает с направлением силовых линий приложенного электрического поля, а при движении отрицательных зарядов распределение тока по коллектору заметно отличается от геометрии движения, задаваемой приложенным электрическим полем. Возбуждение стоячих капиллярных волн на поверхности He-II в ячейке, нелинейное взаимодействие между которыми приводит к генерации вихрей на поверхности и в объеме слоя жидкости, заметно изменяет распределение токов отрицательных зарядов по сегментам коллектора, и в то же время практически не влияет на распределение токов положительных зарядов по сегментам. Наблюдаемые различия в поведении распределения токов инжектированных зарядов разных знаков вблизи свободной поверхности и в объеме He-II можно объяснить тем, что в отличие от положительно заряженных снежных шариков электронные пузырьки сильно взаимодействуют с квантовыми вихрями, содержание которых значительно возрастает при возбуждении нелинейных волн на поверхности сверхтекучей жидкости.
02 февраля 2023 года, четверг, online, 14:00
Тумачев Даниил, Экспериментальное исследование когерентных геострофических вихрей, [MP4], [PDF]
Герметично изолированный куб со стороной ребра 1м, заполненный водой со взвешенными частичками-маркерами, вращался вокруг вертикальной оси с угловыми скоростями 0.1 ... 0.7 Гц. В этой системе нами возбуждалось турбулентное течение, которое вследствие действия силы Кориолиса имело квази-двумерный характер. Такое течение принято называть геострофическим. В нём, как во всяком двумерном течении, развивается обратный каскад энергии, который приводит к образованию крупных вихрей. Мы наблюдаем такие вихри, которые поддерживаются во времени передачей им энергии со стороны инерционных волн, механически возбуждаемых по четырём углам куба. Время жизни этих вихрей превышает время вязкой диссипации, поэтому их следует считать когерентными. Измерены параметры вихрей – их сила, радиальный профиль средней скорости и среднее количество вихрей в системе. Предложены качественные объяснения полученным результатам и проведено сравнение с теоретическими предсказаниями.
15 декабря 2022 года, четверг, online, 14:00
Ерманюк Евгений Валерьевич, д.ф.-м.н., директор Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева РАН, Аттракторы внутренних и инерционных волн в линейном и нелинейном режимах, [MP4]
Внутренние (инерционные) волны в однородно стратифицированной (вращающейся) жидкости подчиняются специфическому закону отражения, являющемуся следствием дисперсионного соотношения: при отражении волнового луча от твердой стенки сохраняется угол между его направлением и вектором силы тяжести (угловой скорости). Наличие такого закона отражения существенным образом меняет правила бильярда волновых лучей в замкнутой области по сравнению с классическим случаем геометрической оптики. При отражении волнового пучка конечной ширины от наклонной границы происходит изменение ширины пучка (фокусировка либо расфокусировка). В случае замкнутой области преобладает фокусировка волн, вследствие чего волновые лучи притягиваются к замкнутой траектории, называемой волновым аттрактором. В докладе приведено обсуждение режимов движения в волновых аттракторах в замкнутой области для различных уровней описания (лучевой скелет, пучок волн), различных диссипативных механизмов (вязкость, триадный резонанс и т.д.), а также различных экспериментальных и численных постановок задачи.
17 ноября 2022 года, четверг, online, 14:00
Сухановский Андрей Николаевич, д.ф.-м.н., с.н.с. лаборатории "Физической гидродинамики", ИМСС УрО РАН (Пермь), Вихревые течения в различных физических системах, [MP4]
28 апреля 2022 года, четверг, online, 14:00
Даниил Тумачев, Применение вейвлет-анализа для выделения когерентных структур, [MP4]
Доклад посвящен методике вейвлет-анализа для выделения когерентных структур. Начнется с описания основ такого преобразования. Показана аналогия вейвлет преобразования с НЧ и ВЧ фильтрами. Также описывается пакетное вейвлет преобразование. Далее будут продемонстрированы результаты обработки данных экспериментов, выполненных в ИФТТ РАН. Дополнительно будет затонут вопрос по восстановлению поля скорости из поля завихренности.
21 апреля 2022 года, четверг, online, 14:00
Максим Бражников, Экспериментальные исследования квазидвумерной турбулентности: поток энергии в обратном каскаде, [MP4]
Экспериментально исследуется квазидвумерная турбулентность в тонких слоях электролита в квадратной \(10 \times 10\) см и прямоугольной \(10 \times 5\) см ячейках. Течение жидкости возбуждается периодической по пространству силой Лоренца при пропускании электрического тока через электролит. Число Рейнольдса \(Re\) на длине накачки составляет \(50-300\). С помощью пространственного фильтра Фурье поле скорости разделяется на крупномасштабную и мелкомасштабную компоненты. В прямоугольной ячейке крупномасштабная компонента образует когерентную структуру в виде пары вихрей противоположной завихренности, а в квадратной ячейке крупномасштабная компонента не показывает регулярного поведения в разных экспериментах. Поток энергии между двумя компонентами скорости рассчитывается как функция масштаба фильтрации. При \(Re=100-300\) поток энергии в инерционном интервале обратного каскада степенным образом зависит от средней кинетической энергии течения: \(P \sim E^{3/2}\). И в квадратной, и в прямоугольной ячейках в спектрах энергии не наблюдается накопление энергии на малых волновых числах. Зависимости потока энергии от волнового числа при \(Re=300\) качественно не отличаются для обеих ячеек. Однако в квадратной ячейке поток энергии обращается в ноль на малых волновых числах, а в прямоугольной ячейке поток энергии достигает масштаба короткой стороны ячейки.