Потоки углового момента во вращающемся слое с локализованным нагревом
Автор: Евграфова Анна Валерьевна, Попова Елена Николаевна, Сухановский Андрей Николаевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.9, 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе рассмотрены потоки углового момента во вращающемся слое с локализованным источником тепла. Как известно, ключевым для формирования азимутальных течений во вращающемся слое является транспорт углового момента благодаря меридиональной циркуляции. Перенос углового момента, его стоки и источники существенно зависят от начальных и граничных условий. Основная цель работы заключается в анализе распределения и потоков углового момента в жидкости и на границах слоя при различных значениях управляющих параметров. Исследование проводилось путем лабораторного эксперимента и численного моделирования в отечественном CFD пакете FlowVision. Экспериментальная модель представляла собой цилиндрическую кювету радиусом 15 см, установленную на стенде, обеспечивающем строго равномерное вращение в широком диапазоне скоростей. Толщина слоя жидкости составляла 3 см, верхняя граница была свободной. В качестве рабочих жидкостей использовались различные силиконовые масла. Измерения полей скорости производились при помощи PIV системы «Полис». Экспериментальные измерения и численное моделирование показали, что их результаты хорошо согласуются между собой и подтверждают особую важность радиального переноса углового момента в формировании интенсивного вихря. Обнаружено, что распределение углового момента зависит от управляющих параметров. Так, в результате уменьшения вязкости жидкости, увеличения мощности нагрева или скорости вращения модели распределение углового момента становится неоднородным, что приводит к потере осесимметричности вихря или его распаду. Для описания эволюции структуры вихря проведено детальное изучение переноса углового момента меридиональной циркуляцией, определено расположение стоков и источников углового момента в вязких пограничных слоях вблизи дна и боковых стенок. Исследована структура локализованного циклонического вихря при уменьшении вязкости рабочей жидкости. Продемонстрировано, что потеря устойчивости циклонического вихря связана с перестройкой структуры радиального течения.
Циклонический вихрь, локализованный нагрев, вращение, угловой момент
Короткий адрес: https://sciup.org/14320829
IDR: 14320829 | УДК: 532.5 | DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.4.42
Fluxes of angular momentum in a rotating layer with localized heat source
Fluxes of angular momentum in a rotating layer with localized heat source were studied by laboratory and numerical modeling. This study is motivated by the problem of tropical cyclogenesis. Despite decades of research, this problem is unsolved and attracts close attention of many scientific groups. It is known that the transport of angular momentum by meridional circulation is crucial for the formation of azimuthal flows. The transport of angular momentum, its sources and sinks essentially depend on initial and boundary conditions. The main goal of the study is to perform analyses of the transfer of angular momentum in a fluid layer and fluxes of angular momentum on solid boundaries for different values of governing parameters. The investigation was carried out experimentally and numerically. The experimental model is a cylindrical vessel with diameter of 15 cm. The model was placed on a rotating stand, which provided stable rotation in a wide interval of angular velocities. The depth of the layer was 3 cm, and different silicon oils were used as working fluids. Measurements of velocity fields were carried out by the PIV system “Polis”. Numerical calculations were done by CFD software FlowVision. Experimental and numerical results are in good agreement. It has been shown that the radial transport of angular momentum is of crucial importance for intensive cyclonic vortex formation. Intensive cyclonic vortex exists in a short interval of governing parameters. A decrease in viscosity and an increase in heating or angular velocity lead to the vortex asymmetry and further to its breaking. A detailed study of angular momentum transport by meridional circulation was carried out to describe vortex structure evolution. The locations of sources and sinks of angular momentum on solid boundaries were found. The structure of cyclonic vortex with decreasing viscosity was studied. It was shown that the instability of the vortex is strongly related to changes in the structure of a radial flow.
Список литературы Потоки углового момента во вращающемся слое с локализованным нагревом
- Turner J.S., Lilly D.K. The carbonated-water tornado vortex//J. Atmos. Sci. -1963. -Vol. 20. -P. 468-471.
- Morton B.R. Model experiments for vortex columns in the atmosphere//Nature. -1963. -Vol. 197. -P. 840-842.
- Hadlock R.K., Hess S.L. A laboratory hurricane model incorporating an analog to release of latent heat//J. Atmos. Sci. -1968. -Vol. 25, no. 2. -P. 161-177.
- Brickman D., Kelley D.E. Development of convection in a rotating fluid: scales and pattern of motion//Dynam. Atmos. Oceans. -1993. -Vol. 19, no. 1-4. -P. 389-405.
- Brickman D. Heat flux partitioning in open-ocean convection//J. Phys. Oceanogr. -1995. -Vol. 25. -P. 2609-2623.
- Boubnov B.M., van Heijst G.J.F. Experiments on convection from a horizontal plate with and without background rotation//Exp. Fluids. -1994. -Vol. 16, no. 3. -P. 155-164.
- Богатырев Г.П. Возбуждение циклонического вихря или лабораторная модель тропического циклона//Письма в ЖЭТФ. -1990. -Т. 51, № 11. -С. 557-559.
- Богатырев Г.П., Попова Э.В. Исследование поля скорости в лабораторной модели тропического циклона//Вестник ПГУ. Физика. -1994. -№ 2. -С. 141-150.
- Богатырев Г.П., Смородин Б.Л. Физическая модель вращения тропического циклона//Письма в ЖЭТФ. -1996. -Т. 63, № 1. -С. 25-28.
- Богатырев Г.П., Колесниченко И.В., Левина Г.В., Сухановский А.Н. Лабораторная модель процесса образования крупномасштабного спирального вихря в конвективно-неустойчивой вращающейся жидкости//Известия РАН. ФАО. -2006. -Т. 42, № 4. -С. 460-466.
- Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Laboratory study of a steady-state convective cyclonic vortex//Q. J. Roy. Meteor. Soc. -2016. -Vol. 142, no. 698. -P. 2214-2223.
- Williams G.P. Thermal convection in a rotating fluid annulus: Part 1. The basic axisymmetric flow//J. Atmos. Sci. -1967. -Vol. 24. -P. 144-161.
- Williams G.P. Thermal convection in a rotating fluid annulus: Part 2. Classes of axisymmetric flow//J. Atmos. Sci. -1967. -Vol. 24. -P. 162-174.
- Williams G.P. Thermal convection in a rotating fluid annulus: Part 3. Suppression of the frictional constraint on lateral boundaries//J. Atmos. Sci. -1968. -Vol. 25. -P. 1034-1045.
- Read P.L. Super-rotation and diffusion of axial angular momentum: I. ”Speed limits” for axisymmetric flow in a rotating cylindrical fluid annulus//Q. J. Roy. Meteor. Soc. -1986. -Vol. 112, no. 471. -C. 231-252.
- Сухановский А.Н. Формирование дифференциального вращения в цилиндрическом слое жидкости//Вычисл. мех. сплош. сред. -2010. -Т. 2, № 2. -C. 103-115.
- Batalov V., Sukhanovsky A., Frick P. Laboratory study of differential rotation in a convective rotating layer//Geophys. Astro. Fluid. -2010. -Vol. 104, no. 4. -P. 394-368.
- Sukhanovskii A., Evgrafova A., Popova E. Horizontal rolls over localized heat source in a cylindrical layer//Physica D. -2016. -Vol. 316. -P. 23-33.
