Линейная эволюция вихря, генерируемого локальным возмущением температуры в стратифицированном сдвиговом течении

Автор: Шухман И.Г., Вайс Тевнер Ш., Коэн Я.

Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika

Статья в выпуске: 2 т.1, 2015 года.

Бесплатный доступ

Исследуется влияние сдвига скорости течения и его устойчивой вертикальной стратификации на эволюцию вихревого возмущения, индуцированного компактным возмущением температуры, наложенным в начальный момент времени на некоторую локальную область течения. Малые размеры возмущения по сравнению с характерными масштабами изменения скорости и температуры фонового течения позволяют считать вертикальные градиенты горизонтальной скорости течения и температуры не зависящими от координат. В рамках линейной теории рассчитаны поля завихренности и температуры. Задача решается аналитически с помо-щью трехмерного фурье-преобразования исходной системы и дальнейшего перехода к лагранжевым переменным в фурье-пространстве. Показано, что рост интенсивности вихря вызывается как стратификацией, так и сдвигом скорости. Однако характер этого усиления (монотонный или осциллирующий) зависит от того, какой их двух факторов доминирует. В случае, когда диссипативные эффекты отсутствуют, энстрофия растет неограниченно (в рамках линейной теории), однако диссипативные факторы (вязкость и термодиффузия) модифицируют этот рост и делают его только транзиентным (врéменным), так что в конце концов возмущение затухает. Область возмущения растягивается вдоль направления течения, однако ее вертикального и горизонтального смещения как целого в рамках линейной теории не происходит, поскольку это нелинейные эффекты. Нелинейные эффекты рассмотрены нами в отдельной работе.

Еще

Сдвиговое течение, стратификация, эволюция возмущений, энстрофия, циркуляция

Короткий адрес: https://sciup.org/142103558

IDR: 142103558   |   УДК: 551.513   |   DOI: 10.12737/7935

Linear evolution of the vortex induced by localized temperature disturbance in stratified shear flow

We study the combined effect of the shear flow velocity and its (stable) vertical stratification on the evolution of the three-dimensionally localized vortical disturbance induced by the initial temperature perturbation embedded at the initial time into a local region of the flow. Small geometric scales of perturbations compared to the characteristic scales of velocity and temperature variation of the background flow allow to consider vertical gradients of the horizontal velocity and temperature to be not dependent on the coordinates. Assuming a disturbance sufficiently weak, we use linear theory to calculate fields of vorticity and temperature. The problem is solved analytically using a three-dimensional Fourier transform of the basic set of equations and further transition to a Lagrange variables in the Fourier space. It is shown that the growth of the intensity of the vortex (a measure of which are enstrophy and circulation) is obliged to both stratification and shear. However, the character of this growth (monotonous or oscillating) depends on what of two factors dominates. In the case where the dissipation effects are negligible, enstrophy grows indefinitely (in the framework of the linear theory), but dissipative factors (viscosity and thermal diffusivity) modified this growth and make it only transient, so that eventually the perturbation decays. Perturbation domain stretches along the direction of flow, but its vertical and horizontal movement as a whole in the framework of the linear theory doesn’t occur, since it is the nonlinear effect. Nonlinear evolution of the vortex induced by temperature disturbance is considered in a separate paper.

Еще

Список литературы Линейная эволюция вихря, генерируемого локальным возмущением температуры в стратифицированном сдвиговом течении

  • Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз, 1963. 1100 с.
  • Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами/Под ред. М. Абра-мовиц, И. Стиган. М.: Наука, 1979. 832 с.
  • Тёрнер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях. М.: Мир, 1977. 432 с.
  • Шухман И.Г. Эволюция локализованного вихря в вязком эллиптическом течении//Исследовано в России. 2006. № 254. С. 2438-2462. Режим доступа: http://www.sci-journal/articles/2006/254.pdf(дата обращения 03.04.2015).
  • Шухман И.Г. Эволюция локализованного вихря в вязком течении с гиперболическими линиями тока//Исследовано в России. 2007. № 1. С. 1-26. Режим доступа: http://www.sci-journal/articles/2007/001.pdf(дата обращения 02.04.2015).
  • Шухман И.Г., Левинский В.Б. Эволюция трехмерно локализованных вихрей в сдвиговых течениях. Линейная стадия//Исследовано в России. 2003. № 6. С. 47-87. Режим доступа: http://www.sci-journal/articles/2003/006.pdf (дата обращения 01.04.2015). (На английском языке статья доступна на сайте: http://arxiv.org/abs/physics/0212101(дата обращения 01.04.2015)).
  • Шухман И.Г., Левинский В.Б. О формировании шпилькообразного вихря в вязком круговом сдвиговом течении//Исследовано в России. 2004. № 4. С. 23-50. Режим доступа: http://www.sci-journal/articles/2004/004.pdf(дата обращения 02.04.2015).
  • Alon G., Philip J., Cohen J. The development of a buoyant vortex in stationary and plane stagnation flows//Europ. J. Mechanics B/Fluids. 2011. V. 30. P. 288-298.
  • Bayly B.J. Three-dimensional instability of elliptical flow//Phys. Rev. Lett. 1986. V. 57. P. 2160-2163.
  • Cohen J., Shukhman I.G., Karp M., Philip J. An analytical-based method for studying the nonlinear evolution of localized vortices in planar homogenous shear flows//J. Comp. Phys. 2010. V. 229. P. 7765-7773.
  • Craik A.D.D. The stability of unbounded two-and three-dimensional flows subject to body forces: Some exact solutions//J. Fluid Mech. 1989. V. 198. P. 275-292.
  • Craik A.D.D., Allen H.R. The stability of three-dimensional time-periodic flows with spatially uniform strain rates//J. Fluid Mech. 1992. V. 234. P. 613-627.
  • Craik A.D.D., Criminale W.O. Evolution of wavelike disturbance in shear flows: A class of exact solutions of Navier-Stokes equations//Proc. R. Soc. Lond. A. 1986. V. 406. P. 13-26.
  • Farrell B.F., Ioannou P.J. Optimal excitation of three-dimensional perturbations in viscous constant shear flow//Phys. Fluids A. 1993. V. 5, N 6. P. 1390-1400.
  • Lagnado R. R., Phan-Thien N., Leal L.G. The stability of two-dimensional linear flows//Phys. Fluids. 1984. V. 27. P. 1094-1101.
  • Majda A.J., Shefter M.G. Elementary stratifed flows with instability at large Richardson number//J. Fluid Mech. 1998. V. 376. P. 319-350.
  • Shariff K., Leonard A. Vortex rings//Annu. Rev. Fluid Mech. 1992. V. 24. P. 235-279.
  • Shukhman I.G. Evolution of a localized vortex in plane nonparallel viscous flows with constant velocity shear. I: Hyperbolic flow//Phys. Fluids. 2006. V. 18. 097101.
  • Shukhman I.G. Evolution of a localized vortex in plane nonparallel viscous flows with constant velocity shear. II: Elliptic flow//Phys. Fluids. 2007. V. 19. 017106.
  • Shukhman I.G., Levinski V.B. Temporal evolution of a localized weak vortex in viscous circular shear flows//Phys. Fluids. 2005. V. 17. 017104.
  • Suponitsky V., Cohen J., Bar-Yoseph P.Z. The generation of streaks and hairpin vortices from a localized vortex embedded in unbounded uniform shear flow//J. Fluid Mech. 2005. V. 535. P. 65-100.
  • Thomson W. (Kelvin Lord) Stability of fluid motion: Rectilinear motion of viscous fluid between two parallel plates//Phil. Mag. 1887. V. 24, N 5. P. 188-196.
  • Weiss Tewner S., Cohen J., Shukhman I.G. Vortical disturbances in linearly stratified shear flow. II. Nonlinear evolution//Phys. Fluids. 2015. V. 27. 024104.
Еще