Слайд 1Выявленные виды вихреобразования
Слайд 2Схема обрушения волн с образованием вихрей
Слайд 3Круговая поляризация и вихреобразование при отражении
Слайд 4Образование спиральной автоволны при обтекании препятствия
Слайд 6Как эволюционирует круговой вихрь в мелкой воде
Слайд 11Двойное спиралеобразование в продольном потоке
Слайд 12Видеоролики вихреобразования
Лаборатория динамики вращающихся жидкостей
(Оксфорд)
http://www.atm.ox.ac.uk/rotatingfluids/
Слайд 13
Когда жидкость подвергается дифференциальному нагреву в горизонтальном направлении,
в результате
термической циркуляции должно возникнуть статически устойчивое (внизу более тяжелые слои)
распределение плотности
и, если перенос тепла не является через чур эффективным, градиент температуры в горизонтальном направлении.
Это означает, что плотности равной поверхности будут наклонены по отношению к поверхностям равного геопотенциала, как показано ниже на рис.
Слайд 14Равновесное состояние при горизонтальном нагревании
В не вращающейся жидкости в результате
конвективного опрокидывания изопикнические поверхности должны стать настолько близкими к горизонтальному
положению насколько это возможно.
Такова ситуация, например, в атмосферах Земли и других планет земной группы, в которых полярные регионы, как правило, сильно охлажденный (тепловое инфракрасное излучение преобладает над солнечным нагревом), а в тропики испытывают нагревание, так как солнечный нагрев является наиболее интенсивным. Рисунках ниже, следовательно, может представлять сечения по широте и высоте в атмосфере.
Слайд 15
В системе, вращающейся вокруг вертикальной оси, однако, горизонтальное движение в
таких опрокидывающих циркуляциях будет запрещено, потому что сил Кориолиса стремиться
отклонить такое движение в зональном направлении. Так что В случае отсутствия зонального градиента давления движение осесимметрично и геострофично, а перенос с севера на юг переноса тепла за счет прямого опрокидывания, подавляется.
При малой скорости вращения (малой закрутке) течение в любой горизонтальной плоскости одинаково, т. е. не зависит от вертикальной координаты.
Слайд 16Быстрое вращение без нагрева
С увеличением закрутки возникают так называемые ламинарные
(упорядоченные) вихри Тейлора.
Фотография вихрей Тейлора при течении машинного масла
в зазоре между неподвижным стеклянным и вращающимся металлическим цилиндрами приведена на рисунке. Для визуализации течения в масло добавлен алюминиевый порошок.
Схема течения дана на рисунке 3, направление движения частиц показано стрелками.
Слайд 17Неосесимметричные течения, такие, как волны Россби, могут быть связаны с
неосесимметричными горизонтальными градиентами давления. Хотя такие волнистые поток не могут
производить к теплообмену опрокидыванием, они все же могут привести к значительному горизонтальному переносу тепла. Они порождают зонально-усредненный наклон траекторий вроде показанного выше на рис (б).
Слайд 18Если наклон этих усредненных траекторий жидкости находится между горизонтальным и
наклоном изопикнических поверхностей, тепло может переноситься как вверх, так и
по горизонтали. Это приводит к уменьшению наклона изопикнических поверхностей и высвобождению потенциальной энергии.
http://www.atm.ox.ac.uk/rotatingfluids/clips/clip.php?item_id=129
Слайд 19Таким образом, волны Россби могут поддерживаться за счет потенциальной энергии,
порождаемых дифференциальными нагревом
Нестабильности, ведущих к этому неосесимметричных возмущений известна как
бароклинная неустойчивость, а полностью развитая форма этих волнообразных потоков называется наклонная конвекция
Слайд 20Наклонная конвекция в лаборатории
Условия, приводящие к образованию наклонных конвекции может
быть получен сравнительно легко в лаборатории, в жидкости, содержащейся в
кольцевой зазор между парой в вертикальном положении, коаксиальный, термически проводящих цилиндров (см. выше)
Два цилиндра поддерживаются при разных температурах (Ta и Tb), что приводит к опрокидыванию циркуляции за счет прямой связи между нагревом (обычно внешней) стенки и охлаждением (обычно внутренней) области цилиндра
Слайд 22Если цилиндры установлены на платформу, которая вращается вокруг вертикальной оси
с угловой скоростью Ω, то осесимметричный радиальный поток тормозится силой
Кориолиса и будет развиваться значительный горизонтальный градиент температуры .
Увеличение Ω уменьшает радиальный перенос тепла, потому что он происходит в основном в вязких слоях Экмана вдоль горизонтальной границы. Таким образом, наклон изопикн к увеличению с ростом Ω.
http://www.atm.ox.ac.uk/rotatingfluids/clips/clip.php?item_id=127
Слайд 23
На некотором критическом значении Ω, наклон изопикн становится слишком большим,
чтобы выдерживать жидкости без развития нестабильности.
В потоке развиваются неосесимметричные возмущения
бароклинной неустойчивости.
http://www.atm.ox.ac.uk/rotatingfluids/clips/clip.php?item_id=128
Слайд 24
Такие возмущения растут по амплитуде, транспортируя тепла к «полюсу» и
освобождая потенциальную энергию. Наклон изопикн снижается.
Поток принимает форму полностью развитой
наклонной конвекции.
http://www.atm.ox.ac.uk/rotatingfluids/lessons/1-1.php
(клипы e-h)
Слайд 25
Экспериментальная конфигурация, описанная выше, известна как кольцевые вихри при дифференциальном
нагреве вращающегося сосуда. Эта конфигурация была предметом обширных исследований с
1950 года.
Слайд 26Наклонные конвекции имеют широкий спектр различных видов режима течения, в
зависимости от силы нагрева и фона скорость вращения Ω.
Их
изображают на режимной диаграмме, как показано ниже.
Для того, чтобы иметь возможность сравнить эксперименты с использованием различных размеров аппарата и различных рабочих жидкостей, а также обобщить результаты, интенсивность нагревания и скорость вращения Ω
Обычно представляют через безразмерные параметры.
Слайд 27Основные параметры обычно называются: число Тейлора
Число Тейлора: вращение/вязкость
Число Россби: вращение/нагрев
Число
Прандтля: вязкость/теплопроводность
Слайд 29Как сделать
лабораторию
http://einstein.atmos.colostate.edu/~mcnoldy/spintank/
Имеется полное описание нужного оборудования, смета и возможные
эксперименты
