hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667319030043hydrophysics-69Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГИДРОФИЗИКИFUNDAMENTAL ISSUES OF HYDROPHYSICSОсобенности циркуляции, возникающей при погружении с поверхности конечного объема воды с отрицательной плавучестьюFeatures of the circulation arising while sinking from the surface of a finite volume of water with negative buoyancyВолковаА. А.VolkovaA. A.

г. Калининград

Kaliningrad

a.al.volkova@gmail.comГриценкоВ. А.GritsenkoV. A.

г. Москва

Moscow

gritsenko-vl-al@mail.ruБалтийский федеральный университет им. И. КантаРоссияImmanuel Kant Baltic Federal UniversityRussian FederationИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology of Russian Academy of SciencesRussian Federation2019301120211232635Copyright © Волкова А.А., Гриценко В.А., 20212021Волкова А.А., Гриценко В.А.Volkova A.A., Gritsenko V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/69

Изучение динамики приповерхностного слоя воды при погружении в нее с поверхности конечного объема воды с отрицательной плавучестью или термика выполнено при помощи качественных экспериментов в гидролотке и численного моделирования изучаемого явления. Лабораторные эксперименты продемонстрировали вихревой и сильно нестационарный характер погружения с поверхности конечного объема воды с отрицательной плавучестью. В лабораторных условиях были зафиксированы все обычно наблюдаемые этапы трансформации формы вод термика – «гриб», вихревое кольцо и его распад. Численное моделирование подтвердило вихревой и короткоживущий характер возникающего течения и позволило детализировать процессы погружения конечного объема соленой воды в окружении пресной. Использование трех дополнительных модельных полей трассеров нейтральной плавучести позволило отследить изменчивость формы вод термика, а также процессов перемешивания и вовлечения в движение пресной воды. Детализация вертикальной циркуляции в окрестности погружающегося термика показала наличие восходящих движений пресной воды на его периферии. Данное обстоятельство в натурных условиях будет блокировать на некоторое время в данной точке поверхности моря возможность формирования следующего термика.

The study of the dynamics of the near-surface layer of water when sinking from the surface of a finite volume of water with negative buoyancy (or the thermal) is performed by using qualitative experiments in the hydrodynamic flume and numerical simulation of the phenomenon under study. Laboratory experiments have demonstrated vortex and highly unsteady nature of the flow of the density-inhomogeneous water generated by immersion from the surface of the final volume of water with negative buoyancy. All usually observed stages of transformation of the shape of water thermal were recorded in laboratory – the “mushroom”, the vortex ring and its decay. Numerical simulation confirmed vortex and shortlived nature of the emerging flow and allowed for detalisation the processes of immersion of the finite volume of salt water in a fresh environment. The use of three additional model fields of neutrally buoyant tracers made it possible to track the variability of the shape of the thermal, as well as the processes of mixing and involvement of fresh water into the motion. Detalisation of vertical circulation in the vicinity of the sinking thermal showed the presence of upward movements of fresh water on its periphery. In natural conditions, this circumstance should prevent for some time the possibility of generation of the next thermal at the given location of the sea surface.

сезонная конвекцияплавучестьтермиквихревое кольцотрансформация формычисленная модельконвективная ячейкаseasonal convectionbuoyancythermalsvortex ringtransformation of shapethe numerical modelconvective cellРабота выполнена при поддержке гранта РФФИ № 19-05-00717 (лабораторные эксперименты) и госзадания № 0149-2019-0013 (модельные расчеты).ReferencesТернер Дж. Эффекты плавучести в жидкости. М.: МИР, 1977. 431 с.Turner J.S. Buoyancy Effects in Fluids. M., MIR, 1977. 431 p. (in Russian).Скорер Р. Аэрогидродинамика окружающей среды. М.: МИР, 1980. 549 с.Scorer R.S. Environmental aerodynamics. M., MIR, 1980. 549 p. (in Russian).Гершуни Г.З. и др. Устойчивость конвективных течений. М.: Наука, 1989. 492 с.Gershuni G.Z. et al. Stability of convective flows. M., Nauka, 1989. 492 p. (in Russian).Гинзбург А.И., Зацепин А.Г., Федоров К.Н. Тонкая структура термического пограничного слоя в воде у поверхности раздела воздух-вода // Известия АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13, № 12. С. 1268–1277.Ginsburg A.I., Dikarev S.N., Zatsepin A.G., Fedorov K.N. Fine structure of the thermal boundary layer in the water near airwater interface. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 1977, 13, 12, 1268–1277 (in Russian).Гинзбург А.И., Федоров К.Н. Охлаждение воды с поверхности при свободной и вынужденной конвекции // Известия АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1978. Т. 14, № 1. С. 79–87.Ginsburg A.I., Fedorov K.N. Cooling of water from the surface under free and forced convection regimes. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 1978, 14, 1, 79–87 (in Russian).Гинзбург А.И., Дикарев С.Н., Зацепин А.Г., Федоров К.Н. Феноменологические особенности конвекции в жидкости со свободной поверхностью // Известия АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1981. Т. 17, № 4. С. 400–407.Ginsburg A.I., Zatsepin A.G., Fedorov K.N. Phenomenological features of convection in a liquid from a free surface. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 1981, 17, 4, 400–407 (in Russian).Федоров К.Н. О физической структуре приповерхностного слоя океана // Метеорология и гидрология. 1981. № 10. С. 58–66.Fedorov K.N. On the physical structure of the near-surface oceanic layer. Russian meteorology and hydrology. 1981, 10, 58–66 (in Russian).Бунэ А.В., Дикарев С.Н., Зацепин А.Г., Тишаев Д.В. Пример численного и лабораторного моделирования процесса развития конвекции // Известия АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1985. Т. 21, № 8. С. 892–895.Bune A.V., Dikarev S.N., Zatsepin A.G., Tishaev D.V. Example of numerical and laboratory modeling process of development of convection. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 1985, 21, 8, 892–895 (in Russian).Бунэ А.В., Гинзбург А.И., Полежаев В.И., Федоров К.Н. Численное и лабораторное моделирование развития конвекции в охлаждающемся с поверхности слое воды // Известия АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1985. Т. 21, № 9. С. 956–963.Bune A.V., Ginsburg A.I., Polezhaev V.I., Fedorov K.N. Numerical and laboratory modelling of the development of convection in a water layer cooling from its surface. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 1985, 21, 9, 956–963 (in Russian).Федоров К.Н. и др. Приповерхностный слой океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 303 с.Fedorov K.N. et al. Near-surface ocean layer. L., Gidrometeoizdat, 1988. 303 p. (in Russian).Ингель Л.Х. К теории конвективных струй и термиков в атмосфере // Изв. РАН: физика атмосферы и океана. 2016. Т. 53, № 6. С. 676–680.Ingel L.Kh. On the Theory of Convective Jets and Thermals in the Atmosphere. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2016, 53, 6, 676–680 (in Russian).Чубаренко И.П. Горизонтальный конвективный водообмен над подводными склонами. Калининград: Терра Балтика, 2010. 256 с.Chubarenko I.P. Horizontal convection above underwater slopes. Kaliningrad, Terra Baltica, 2010. 256 p. (in Russian).Fer I., Lemmin U., Thorpe S.A. Cascading of water down the sloping sides of a deep lake in winter // Geophysical Research Letters. 2001. V. 28, N. 10. P. 2093–2096.Fer I., Lemmin U., Thorpe S.A. Cascading of water down the sloping sides of a deep lake in winter. Geophysical Research Letters. 2001, 28, 10, 2093–2096.Thorpe S.A. Contribution of entrainment and vertical plumes to the winter cascading of cold shelf waters in a deep lake // Limnol. Oceanogr. 2002. V. 47, N. 2. P. 576–580.Thorpe S.A. Contribution of entrainment and vertical plumes to the winter cascading of cold shelf waters in a deep lake. Limnol. Oceanography. 2002, 47, 2, 576–580.Гриценко В.А., Юрова А.А. О распространении придонного гравитационного течения по крутому склону дна // Океанология. 1997. Т. 37, № 1. С. 44–49.Gritsenko V.A., Yurova A.A. About the propagation of the near-bottom gravity flow along the steep slope of the bottom. Oceanology. 1997, 37, 1, 44–49 (in Russian).Гриценко В.А., Юрова А.А. Об основных фазах отрыва придонного гравитационного течения от склона дна // Океанология. 1999. Т. 39, № 2. С. 187–191.Gritsenko V.A., Yurova A.A. About the basic phases of separation of near-bottom gravity currents from the slope of the bottom. Oceanology. 1999, 39, 2, 187–191 (in Russian).Гебхарт Б. и др. Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен. М.: МИР. В 2-х книгах. Кн. 1. 678 с.Gebhart B. et al. Buoyancy – induced flows and transport. M., MIR, B. 1, 1991. 678 p. (in Russian).Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости газа. М.: МИР, 1986. 184 с.Van Dyke M. An album of fluid motion. M., MIR, 1986. 184 p. (in Russian).Мелешко В.В. и др. Динамика вихревых структур. Киев: Наукова Думка, 1993. 279 с.Meleshko V.V. et al. Dynamics of vortex structures. Kyiv, Naukova Dumka, 1993. 279 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.