Когерентные структуры в турбулентной атмосфере. Эксперимент и теория
Автор: Носов В.В., Григорьев В.М., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В.
Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika
Статья в выпуске: 14, 2009 года.
Бесплатный доступ
Экспериментально изучены процессы возникновения и распада ячейки Бенара в воздухе. Наши данные подтверждают основные сценарии возникновения турбулентности (сценарии стохастизации Ландау-Хопфа, Рюэлля-Таккенса, Фейгенбаума, Помо-Манневилля). Установлено, что распад ячейки Бенара осуществляется по сценарию Фейгенбаума. При этом главный вихрь в ячейке распадается на более мелкие в результате десяти бифуркаций удвоения периода. Показано, что возникающая в результате турбулентность является когерентной и детерминированной. Обнаружена фрактальность (локальное самоподобие) спектра турбулентности. Эти результаты позволяют расширить понятие «когерентная структура», включив в ее состав мелкомасштабные турбулентные компоненты. В работе когерентная структура определяется как компактное образование, включающее в себя долгоживущую пространственную гидродинамическую ячейку (возникающую в результате продолжительного действия термодинамических градиентов) и продукты ее дискретного когерентного каскадного распада. Когерентная структура удовлетворяет всем признакам, характеризующим появление хаоса (турбулентности) в типичных динамических системах. Показано, что реальная атмосферная турбулентность есть сочетание (некогерентное) различных когерентных структур с несоизмеримыми частотами главных энергонесущих вихрей. На основании изложенных в статье результатов когерентную структуру, в ее расширенном определении, можно считать основным элементом турбулентности.
Короткий адрес: https://sciup.org/142103383
IDR: 142103383 | УДК: 520.2;
Coherent structures in turbulent atmosphere. Experiment and theory
Processes of the Bénard cell origination and disintegration in air are studied experimentally. Our data confirm the main scenarios of turbulence origination (Landau-Hopf, Ruelle-Takens, Feigenbaum and Pomeau-Menneville stochastic scenarios). It is found that the Bénard cell disintegrates according to the Feigenbaum scenario. In this case, the main vortex in the Bénard cell is decomposed into smaller ones as a result of ten period-doubling bifurcations. The resulting turbulence is shown to be coherent and determinate; the fractal character (local self-similarity) of its spectrum is found. These results allow us to enlarge the notion coherent structure by including small-scale turbulent components. In the paper, the coherent structure is defined as a compact formation containing a long-lived spatial hydrodynamic cell (originating from the long-term action of thermodynamic gradients) and products of its discrete coherent cascade disintegration. The coherent structure meets all the features of chaos occurrence (turbulence) in typical thermodynamic structures. The real atmospheric turbulence is shown to be a result of (incoherent) mixing of different coherent structures with incommensurable frequencies of the main vortexes that carry energy. Based on the results presented here, the coherent structure (in its enlarged definition) can be considered as a key turbulence element.
