Турбулентность и турбулентный обмен в океане

и описание существующих моделей ее исследования и расчета применительно к

океану.

Важность изучения турбулентности для динамики атмосферы и океана обусловлена ее определяющей ролью в процессах обмена импульсом, энергией, теплом и веществом. Турбулентные вихри обеспечивают дополнительный перенос этих характеристик, который существенно превосходит молекулярный перенос. Описание важнейших геофизических процессов, таких как динамика погоды и климата, формирование первичной продуктивности в океане, транспорт примесей в океане и атмосфере, динамика течений во внешнем жидком ядре Земли просто немыслимо без учета турбулентности.

1981.- 321 с.
2. Монин А.С. Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Ч

1. М.: Наука, 1965. - 639 с.
3. Озмидов Р.В. Горизонтальная турбулентность и турбулентный обмен в океане. М.: Наука, 1968. – 320 с.
4. Тэрнер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях. М.: Мир, 1977. – 431 с.
5. Мамаев О.И. Физическая океанография. Избранные труды. М.: ВНИРО, 2000. -364 с.
 
Дополнительная литература
 1. Физика океана. Т. 1. Гидрофизика океана. / Отв. ред. В.М. Каменкович, А.С. Монин. – М.: Наука, 1978. – 455 с.
2. Филлипс.О.М. Динамика верхнего слоя океана. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 319 с.
3. Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 277 с.
4. Китайгородский С.А. Физика взаимодейчтвия атмосферы и океана. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 284 с.
5. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана.- Л.: Гидрометеиздат, 1985. – 375 с.

ламинарный и турбулентный.

Ламинарным (от лат. lamina – лента, пластинка; laminar

- слоистый) называется сложное течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давлений. При ламинарном движении жидкости в прямой трубе постоянного поперечного сечения все линии тока направлены параллельно оси труб, отсутствуют поперечные перемещения жидкости. Однако, ламинарное движение нельзя считать безвихревым, так как в нем хотя и нет видимых вихрей, но одновременно с поступательным движением имеет место упорядоченное вращательное движение отдельных частиц жидкости вокруг своих мгновенных центров с некоторыми угловыми скоростями.

Турбулентным (от лат. turbulentus – беспорядочный) называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости и пульсациями скоростей и давлений. При турбулентном течении наряду с основным продольным перемещением жидкости происходят поперечные перемещения и вращательное движение отдельных объемов жидкости.

Турбулентным потокам свойственно явление чередования ламинарной и турбулентной форм движения, которое именуется перемежаемостью.

и газов…и заключающееся в том, что термодинамические и гидродинамические характеристики

таких течений (вектор скорости, температура, давление, концентрации примесей, плотность среды, скорость звука, электропроводность, показатель преломления и т.п.) испытывают хаотические флуктуации, создаваемые наличием в этих течениях многочисленных вихрей различных размеров, и вследствие этого изменяются в пространстве и с течением времени весьма нерегулярно…» (Монин, Озмидов, 1981).
 
Турбулентность существует практически во всех течениях независимо от того, происходят ли они в естественных условиях или в современных технологических системах. Были затрачены огромные усилия, чтобы понять это очень сложное физическое явление и разработать эмпирические и математические модели для описания и расчета характеристик турбулентных течений. При анализе турбулентных течений методы расчета являются комбинацией аналитических, эмпирических и экспериментальных соотношений и необходимо иметь ясное представление о принятых допущениях и ограничениях методов при использовании их в физических ситуациях.

Определение турбулентности

Royal Collection O 2004, Her Majesty Queen Elizabeth II)
ок.

1500 г.

Big whorls have little whorls,
That feed of their velocity;
Little whorls have lesser whorls,
And so on to viscosity.
Lewis F. Richardson, 1920

движения

некоторой точке. Частота измерений 100 Гц, длительность временного отрезка на

рисунке – 4 с. Измерения на глубине 3 м, измерительным комплексом «Сигма-1», 2003 г.

Измерения турбулентности

потери устойчивости. Наиболее известный в гидродинамике вид неустойчивости – сдвиговая

неустойчивость (неустойчивость тангенциальных разрывов скорости или неустойчивость Кельвина-Гельмгольца), которая реализуется, когда один слой жидкости “скользит” по другому. Такая ситуация свойственна многим реальным природным течениям. Неустойчивости в данном случае подвержено положение границы между слоями жидкости, которые движутся с различными скоростями.

Возникновение турбулентности. Критерий Рейнольдса

Режимы течения в экспериментах Осборна Рейнольдса: а – ламинарное
течение, б – турбулентное течение, в – турбулентное течение, подсвеченное
вспышкой (электрическим разрядом).

трения Ньютона

Вязкость

[v] = L2

Т-1.

объема
Число Рейнольдса рассматривается в качестве критерия устойчивости движения
Если число Рейнольдса

превышает некоторое критическое значение c Re > Recr , то движение неустойчиво и развивается турбулентность, в противном случае течение остается ламинарным.

по следующим причинам:
- характерные величины L и U не могут

быть однозначно определены для систем с различной «геометрией»;
- значение Recr зависит от уровня фоновых возмущений.

Обтекание кругового цилиндра при Re=26.

при Re=10000

способами:
по ансамблю
по времени
по пространству
Суть закона подобия, сформулированного Рейнольдсом в 1883

г. состоит в том, что течения одного типа с равным числом Рейнольдса подобны. Подобие двух течений состоит в том, что все поля могут быть получены друг из друга простым масштабным преобразованием координат и скорости.

Осреднение по Рейнольдсу (по времени)

время осреднения
может быть сколь угодно большим (T = ∞)
В нестационарном

случае период осреднения должен быть много меньше
характерных времен изменения нестационарных величин

Не всегда возможно подобрать период T такой, чтобы выполнялись условия Рейнольдса

попадает маломасштабная турбулентность местного характера (например, турбулентность, вызванная действием ветрового

волнения. — О.М.), тогда как приливные течения и сезонные изменения будут входить в член U. Если в качестве Т взять неделю, тогда приливные течения попадут в член u'(t). Если в качестве Т взять период в десять лет, то сезонные изменения также войдут в u'(t). Если Т приравнять к геологической эпохе, то даже длиннопериодные вековые изменения войдут в турбулентную составляющую скорости u'(t)" [Stommel, 1949].

турбулентности
Кинетическая энергия турбулентности на единицу объема
коэффициент корреляции
коэффициент автокорреляции

вязкости
Коэффициенты турбулентной температуропроводности и диффузии