Численное исследование закономерностей генерации субмезомасштабных возмущений при обтекании элементов подводного рельефа
https://doi.org/10.7868/S2073667320040036
Аннотация
В статье методом математического моделирования исследуются характеристики и механизмы формирования возмущений волновой и вихревой природы при обтекании препятствий в области наблюдения субмезомасштабных явлений в натурных условиях. Решается задача обтекания преграды в виде полусферы диаметром 20 м с основанием на дне двухслойным низкотурбулентным потоком вязкой несжимаемой жидкости. Вихревая динамика потока за преградой разрешалась явным образом с использованием гибридного метода отсоединенных вихрей. На основе численных экспериментов показано, что в исследованном диапазоне чисел Фруда 0.0017–0.0272 процесс обтекания является нестационарным с образованием когерентных вихревых структур, которые растут с течением времени и вниз по потоку до характерных масштабов препятствия, а затем передают энергию волновым компонентам.
Ключевые слова
субмезомасштабные структуры,
когерентные вихри,
внутренние волны,
численный эксперимент,
уравнение Навье-Стокса
При поддержке: Работа выполнена в рамках государственного задания по темам № 0149–2019–0015 (Р.Е Ванкевич, А.А. Родионов) и № 075–01336–20–02 (А.А. Родионов).
Об авторах
Р. Е. Ванкевич
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Россия
Россия
117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва
А. А. Родионов
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН; Санкт-Петербургский научный центр РАН
Россия
Россия
117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва
199034, Университетская наб., д. 5, г. Санкт-Петербург
Список литературы
1. Рогачев К.А. Субмезомасштабные струи на континентальном шельфе залива Петра Великого (Японское море) // Исследование Земли из космоса. 2012. № 6. С. 54–60.
2. Зацепин А.Г. Субмезомасштабные вихри на Кавказском шельфе Черного моря и порождающие их механизмы // Океанология. 2011. Т. 51, № 4. С. 592–605.
3. Морозов Е.Г., Марченко А.В. Короткопериодные внутренние волны в арктическом фиорде (Шпицберген) // Известия РАН. ФАО. 2012. Т. 48, № 4. С. 453–460.
4. Каримова С.С. Статистический анализ субмезомасштабных вихрей Балтийского, Чёрного и Каспийского морей по данным спутниковой радиолокации // Исследование Земли из космоса. 2012. № 3. С. 31–47.
5. Зимин А.В. Короткопериодная изменчивость гидрофизических полей и характеристик внутреннего волнения в течение полусуточного приливного цикла в шельфовых районах Белого Моря // Океанология. 2013. Т. 53, № 3. С. 293–303.
6. Родионов А.А., Романенков Д.А., Зимин А.В. и др. Субмезомасштабные структуры вод Белого моря и их динамика. Состояние и направления исследований // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014. Т. 7, № 3. С. 29–41.
7. Munk W., Armi L., Fischer K., Zachariasen F. Spirals on the sea // Proceedings of the Royal Society A. 2000. V. 456. P. 1217–1280.
8. Thomas L., Tandon A., Mahadevan A. Submesoscale processes and dynamics // Ocean Modeling in an Eddying. Geophys. Monogr. Ser. 2008. V. 177. P. 17–38. doi: 10.1029/177GM04
9. Garrett C., Munk W. Internal waves in the Ocean // Annual Review of Fluid Mechanics. 1979. 11:1. P. 339–369.
10. Chomaz J.M., Bonneton P., Butet A., Perrier M., Hopfinger E.J. Froude number dependence of the flow separation line on a sphere towed in a stratified fluid // Physics of Fluids A. 1992. V. 4. P. 254–258.
11. Townsend A.A. The structure of turbulent shear flow. Cambridge University Press, 1956. 315 p.
12. Holmes P., Lumley J.L., Berkooz G. Turbulence, coherent structures, dynamical systems and symmetry. Cambridge University Press, 1996. 386 p.
13. Ткаченко И.В., Родионов А.А., Сафрай А.С., Гордеева С.М. Эффекты нестационарности обтекания равномерно движущегося тела // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 4 С. 3–8.
14. Hinze J.O. Turbulence. McGraw-Hill, 1975. 780 p.
15. Makita H. Turbulence field in a small wind tunnel // Fluid Dynamics Research. 1991. V. 8. P. 50–64.
16. Meng H., Hussian F. Holographic particle velocimetry: a 3D measurement technique for vortex interactions, coherent structures and turbulence // Fluid Dynamics Research. 1991. V. 8. P. 33–52.
17. Miller A. Secondary flow vortices: A structure in turbulent open channel flow // Structure of Turbulence in Heat and Mass Transfer. 1982. 451 p.
18. Motzfelf H. Frequentzanalyse turbulententer Schwankungen // ZAMM. 1938. V. 18, N 6. P. 362–365.
19. Raffel M., Willert C.E., Wereley S.T., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. Springer, 2007.
20. Вольцингер Н.Е., Андросов А.А. Негидростатическая динамика проливов Мирового океана // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2016. Т. 9, № 1. С. 26–40.
21. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
22. Mockett C. A comprehensive study of detached-eddy simulation. Berlin, 2009. 235 p.
23. Spalart P.R. et al. A new version of detached-eddy simulation, resistant to ambiguous grid densities // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2006. V. 20, N 3. P. 181–195.
24. Shur M.L. et al. A hybrid RANS-LES approach with delayed-DES and wall-modeled LES capabilities // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2008. V. 29. P. 1638–1649.
25. Ferziger J.H., Peric M. Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer Verlag, 2002. 423 р.
26. Gritskevich M.S., Garbaruk A.V., Menter F.R. Fine-tuning of DDES and IDDES formulations to the k-ω Shear Stress Transport model // 4-th European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS-4). 2011. P. 1–10.
27. Weller H.G. A new approach to VOF-based interface capturing methods for incompressible and compressible flows. Technical Report. TR/HGW/04, 2008.
28. Weller H.G., Tabor G., Jasak H., Fureby C. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques // Computers in Physics. 1998. V. 12, N 6. P. 620–631.
29. Crank J., Nicolson P. A practical method for numerical evaluation of solutions of partial differential equations of the heat conduction type // Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 1947. V. 43, N 1. P. 50–67. doi: 10.1017/S0305004100023197
30. Wood J.N., De Nayer G., Schmidt S., Breuer M. Experimental investigation and large-eddy simulation of the turbulent flow past a smooth and rigid hemisphere // Flow, Turbulence and Combustion. 2016. V. 97, N 1. P. 79–119. doi: 10.1007/s10494–015–9690–5
31. Kang Y.D., Kwing-So Choi. Control of vortex shedding from a hemisphere by local suction // Journal of Visualization. 2006. V. 9, N 1. P. 8. doi: 10.1007/BF03181562
32. Tavakol M.M., Abouali O., Yaghoubi M. Large eddy simulation of turbulent flow around a wall mounted hemisphere // Applied Mathematical Modelling. 2015. V. 39, N 13. P. 3596–3618.
Рецензия
Для цитирования:
Ванкевич Р.Е., Родионов А.А. Численное исследование закономерностей генерации субмезомасштабных возмущений при обтекании элементов подводного рельефа. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020;13(4):27-38. https://doi.org/10.7868/S2073667320040036
For citation:
Vankevich R.E., Rodionov A.A. Numerical Study of Submesoscale Features Generation Patterns Within Flow Around Elements of Underwater Terrain. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2020;13(4):27-38. (In Russ.) https://doi.org/10.7868/S2073667320040036
Просмотров:
104
Послать статью по эл. почте 