О возмущениях горизонтального стратифицированного течения, обусловленных неоднородным объемным тепловыделением

Автор: Ингель Л.Х.

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 2 т.17, 2024 года.

Бесплатный доступ

Аналитически исследованы линейные стационарные возмущения горизонтальных стратифицированных течений идеальной среды, вызываемые горизонтально-неоднородными объемными источниками тепла/плавучести. Такие задачи имеют много приложений, в частности, геофизических. Один из примеров - взаимодействие ветра в тропосфере с областью влажной конвекции, в которой существенно тепловыделение в результате фазовых переходов. В отличие от ряда других работ, в настоящей статье основное внимание уделяется захваченным нижним слоем среды возмущениям, существующим при малых и, наоборот, при достаточно больших горизонтальных масштабах неоднородностей. При решении подобных задач нередко используется представление непериодической функции в виде интеграла Фурье, то есть как разложение на гармонические компоненты, и рассматривается суперпозиция горизонтальных гармоник. Свойства гармоник, в зависимости от их горизонтальных масштабов, качественно различаются. При этом известный интервал масштабов отвечает, прежде всего, генерации внутренних гравитационных волн, в то время как на других масштабах возникают захваченные возмущения. Суперпозиция этих возмущений сложна и обычно мало доступна для аналитического исследования, поэтому целесообразно подробно изучить решение для отдельной гармоники. На этом и сконцентрирована настоящая работа. Данный подход позволил получить и проанализировать решения в явном и прозрачном аналитическом виде. Помимо полей скорости, температуры и давления, получены выражения для завихренности и спиральности возникающих возмущений. Показана возможность резонансного усиления амплитуд возмущений и глубины их проникновения в среду при совпадении времени прохождения источника горизонтальным потоком с характерным периодом плавучести или инерционным периодом.

Еще

Стратифицированные течения, объемное тепловыделение, горизонтальные неоднородности, захваченные возмущения, линейные возмущения, спиральность, аналитическая модель

Короткий адрес: https://sciup.org/143183226

IDR: 143183226   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.2.15

On perturbations of a horizontal stratified flow due to inhomogeneous volumetric heat release

The linear stationary perturbations of horizontal stratified flows of an ideal medium caused by horizontally inhomogeneous volume sources of buoyancy have been studied analytically. Such problems have many applications including, in particular, geophysical ones. An example is the interaction of wind in the troposphere with the region of moist convection, in which heat release in phase transitions is significant. Unlike a number of other works, this study focuses on the perturbations trapped within the lower layer of the medium, which exist at rather small or at sufficiently large horizontal scales of inhomogeneities. To solve such problems, the representation of the non-periodic function as a Fourier integral (i.e., as a series expansion into harmonic components) is often used, and the superposition of horizontal harmonics is considered. The properties of such harmonics, depending on their horizontal scales are qualitatively different. Thus, the known interval of scales basically corresponds to the generation of internal gravitational waves, while other scales are associated with the occurrence of trapped perturbations. Since the superposition of such perturbations is very complex and its analytical study is unfeasible, it seems appropriate to analyze in detail the solution for an individual harmonic. This is the focus of the present work. The proposed approach made it possible to obtain and analyze the solutions in an explicit and transparent analytical form. In addition to the velocity, temperature, and pressure fields, the expressions for the vorticity and helicity of the resulting disturbances were obtained. The analysis of the results revealed the possibility of resonant amplification of the amplitudes of perturbations and the depth of their penetration into the medium, when the time of a horizontal flow past the source coincides with the characteristic period of buoyancy or inertial period.

Еще

Список литературы О возмущениях горизонтального стратифицированного течения, обусловленных неоднородным объемным тепловыделением

  • Raymond D.J. Prescribed Heating of a Stratified Atmosphere as a Model for Moist Convection // Journal of the Atmospheric Sciences. 1986. Vol. 43, no. 11. P. 1101–1111. DOI: 10.1175/1520-0469(1986)043<1101:PHOASA-2.0.CO;2.
  • Lin Y.-L. Mesoscale Dynamics. Cambridge University Press, 2007. 646 p. DOI: 10.1017/CBO9780511619649.
  • Lin C.A., Stewart R.E. Diabatically Forced Mesoscale Circulations in the Atmosphere // Advances in Geophysics. Vol. 33 / ed. by R. Dmowska, B. Saltzman. Elsevier, 1991. P. 267–305. DOI: 10.1016/S0065-2687(08)60443-4.
  • Robichaud A., Lin C.A. The linear steady response of a stratified baroclinic atmosphere to elevated diabatic forcing // Atmosphere-Ocean. 1991. Vol. 29. P. 619–635. DOI: 10.1080/07055900.1991.9649421.
  • Lin Y.L., Smith R.B. Transient Dynamics of Airflow near a Local Heat Source // Journal of the Atmospheric Sciences. 1986. Vol. 43. P. 40–49. DOI: 10.1175/1520-0469(1986)043<0040:tdoana-2.0.co;2.
  • Lin Y.-L. Calculation of Airflow over an Isolated Heat Source with Application to the Dynamics of V-Shaped Clouds // Journal of the Atmospheric Sciences. 1986. Vol. 43. P. 2736–2751. DOI: 10.1175/1520-0469(1986)043<2736:coaoai-2.0.co;2.
  • Lin Y.-L., Li S. Three-Dimensional Response of a Shear Flow to Elevated Heating // Journal of the Atmospheric Sciences. 1988. Vol. 45. P. 2987–3002. DOI: 10.1175/1520-0469(1988)045<2987:tdroas-2.0.co;2.
  • Lin Y.-L., Chun H.-Y. Effects of Diabatic Cooling in a Shear Flow with a Critical Level // Journal of the Atmospheric Sciences. 1991. Vol. 48. P. 2476–2491. DOI: 10.1175/1520-0469(1991)048<2476:eodcia-2.0.co;2.
  • Han J.-Y., Baik J.-J. A Theoretical and Numerical Study of Urban Heat Island–Induced Circulation and Convection // Journal of the Atmospheric Sciences. 2008. Vol. 65. P. 1859–1877. DOI: 10.1175/2007jas2326.1.
  • Fuchs Ž., Gjorgjievska S., Raymond D.J. Effects of Varying the Shape of the Convective Heating Profile on Convectively Coupled Gravity Waves and Moisture Modes // Journal of the Atmospheric Sciences. 2012. Vol. 69. P. 2505–2519. DOI: 10.1175/jas-d-11-0308.1.
  • Ингель Л.Х. О возмущениях геострофического течения, обусловленных объемными источниками плавучести и количества движения // Инженерно-физический журнал. 2022. Т. 95, № 4. C. 994–999.
  • Moreno-Ibáñez M., Laprise R., Gachon P. Recent advances in polar low research: current knowledge, challenges and future perspectives // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2021. Vol. 73, no. 1. 1890412.DOI: 10.1080/16000870.2021.1890412.
  • Луценко Э.И., Лагун В.Е. Полярные мезомасштабные циклонические вихри в атмосфере Арктики: Справочное пособие. Т. 95. СПб.: ААНИИ, 2010. 97 с.
  • Гилл А.Е. Динамика атмосферы и океана. Т. 1. М.: Мир, 1986. 397 с.
  • Stommel H., Veronis G. Steady Convective Motion in a Horizontal Layer of Fluid Heated Uniformly from Above and Cooled Non-uniformly from Below // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 1957. Vol. 9, no. 3. P. 401–407. DOI: 10.3402/tellusa.v9i3.9100.
  • Ingel L.K., Makosko A.A. To the theory of convective flows in a rotating stratified medium over a thermally inhomogeneous surface // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1040. 012023. DOI: 10.1088/1755-1315/1040/1/012023.
  • Ингель Л.Х. Аномальный отклик стратифицированной среды на объемное тепловыделение // Журнал технической физики. 2023. Т. 93, № 2. C. 202–206. DOI: 10.21883/TP.2023.02.55542.222-22.
  • Ингель Л.Х. Самовоздействие тепловыделяющей примеси в жидкой среде // Успехи физических наук. 1998. Т. 168, № 1. C. 104–108. DOI: 10.3367/UFNr.0168.199801f.0104.
  • Markowski P., Richardson Y.Mesoscale Meteorology in Midlatitudes. Chichester: Wiley-Blackwell, 2010. 628 p.
Еще