Бароклинный фактор в смешении воды погружающегося термика с окружающей его водой

Представлены результаты исследования процесса взаимодействия погружающегося термика с окружающей его однородной водой. Анализ лабораторных течений в гидролотке позволил выделить основные черты и особенности смешения термика и окружающей воды, заключающихся в присутствии множества высокоградиентных слоев в поле плотности, сохраняющихся на всем этапе активного погружения термика. Выделена промежуточная стадия трансформации вод термика, суть которой заключается в адвективно-вращательном характере смешения различных по плотности вод. Детализация обнаруженных особенностей эволюции плотностной структуры течения выполнена при помощи расчетных течений на 2d-нелинейной модели динамики неоднородной по плотности жидкости. Особенности плотностной структуры выявлены с использованием значений локальных градиентов плотности для внутренних узлов расчетной сетки. Кроме обычно используемых вертикальных и горизонтальных градиентов были рассчитаны градиенты плотности вдоль и поперек линий тока. Количественные оценки повторяемости высокоградиентных слоев показали значительную изменчивость в поле плотности течения, возникающую в результате сочетания малой скорости погружения термика (~0,3 см/с) и вихревого, адвективно-вращательного характера смешения его воды с окружающей. Выполнен анализ потенциальной устойчивости выбранных локальных областей течения. Расчет значений чисел Рейнольдса (Re) и Ричардсона (Ri) позволил предполагать ламинарный характер течения за исключением двух небольших зон в тыловой части погружающегося термика. Показана роль бароклинного механизма порождения завихренности как фактора взаимопроникновения вод термика и окружающей воды в процессе адвективно-вихревого движения.

1. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкости. М.: Мир, 1977. 431 с.

2. Скорер Р. Аэрогидродинамика окружающей среды. М.: Мир, 1980. 549 с.

3. Гинзбург А.И., Зацепин А.Г., Федоров К.Н. Тонкая структура термического погранслоя в воде у поверхности раздела вода-воздух // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13, № 12. С. 1268–1277.

4. Гинзбург А.И., Дикарев С.Н., Зацепин А.Г., Федоров К.Н. Феноменологические особенности конвекции в жидкости со свободной поверхностью // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1981. Т. 17, № 4. С. 400–407.

5. Хунджуа Г.Г., Гусев A.M., Андреев Е.Г., Скорохватов H.A., Гуров В.В. О структуре поверхностной холодной пленки океана и о теплообмене океана с атмосферой // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13, № 7. С. 753–758.

6. Imberger J. The diurnal mixed layer // Limnology and Oceanography. 1985. Vol. 30. P. 737–770.

7. Федоров К.Н., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 303 с.

8. Дийкстра Х.А. Нелинейная физическая океанография / пер. с англ. Ю.Г. Израильского, Ю.В. Колесниченко, В.Н. Зырянова. М.— Ижевск: Институт компьютерных исследований; НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. 680 c.

9. Fernandez R.L., Imberger J. Relative Buoyancy Dominates Thermal-Like Flow Interaction along an Incline // Journal of Hydraulic Engineering. 2008. Vol. 134, N 5. P. 636–643.

10. Townsend A.A. The mechanism of entrainment in the turbulent flows // Journal of Fluid Mechanics. 1966. Vol. 26, N 4. P. 689–715.

11. 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. Физика атмосферы и океана. 1985. Т. 21, № 9. С. 956–963.

12. Джалурия Й. Естественная конвекция. М.: Мир, 1983. 399 с.

13. Абрамян Т.О., Кудин А.М. Лабораторное исследование взаимодействия пятен перемешанной жидкости при их растекании в стратифицированной среде // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1983. Т. 19, № 9. С. 888–891.

14. Bouffard D., Wüest A. Convection in Lakes // Annual Review Fluid Mechanics. 2019. Vol. 51. P. 189–215. doi:10.1146/annurev-fluid-010518-040506

15. Cortés A., Fleenor W.E., Wells M.G., de Vicente I., Rueda F.J. Pathways of river water to the surface layers of stratified reservoirs // Limnology and Oceanography. 2014. Vol. 59. P. 233–250. doi:10.4319/lo.2014.59.1.0233

16. Baines P.G. Mixing in flows down gentle slopes into stratified environments // Journal of Fluid Mechanics. 2001. Vol. 443. P. 237–270.

17. Villermaux E. Mixing Versus Stirring // Annual Review Fluid Mechanics. 2019. Vol. 51. P. 245–273. doi:10.1146/annurev-fluid-010518-040306

18. Kupriyanova A.E., Gritsenko V.A. Sinking patches of salt water on a slope of bottom surrounded by fresh water: dynamics and structural features of density front propagation up the slope // Journal of Oceanological Research. 2022. Vol. 50, N 2. P. 106–124. doi:10.29006/1564-2291.JOR-2022.50(2).5

19. Волкова А.А., Гриценко В.А. Особенности циркуляции, возникающей при погружении с поверхности конечного объема воды с отрицательной плавучестью // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 3. С. 26–35. doi:10.7868/S2073667319030043

20. Куприянова А.Е., Гриценко В.А. Лабораторное и численное исследование особенностей процесса выхолаживания воды с поверхности в прибрежных водах // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57, № 4. С. 484–494 doi:10.31857/S0002351521040076

21. Гилл А. Динамика атмосферы и океана: В 2-х т. Т. 1. / Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 396 с.

22. Баренблатт Г.И. Динамика турбулентных пятен и интрузии в устойчиво стратифицированной жидкости // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. Т. 14, № 2. С. 195–206.

23. Новиков Е.А. О динамике вихревой диффузии // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7, № 10. С. 1087–1089.

24. Журбас В.М., Кузьмина Н.П., Лозовацкий И.Д. Роль бароклинности в интрузионном расслоении океана // Океанология. 1988. Т. 28, № 1. С. 50–53.

25. Гриценко В.А., Чубаренко И.П. Об особенностях структуры фронтальной зоны придонных гравитационных течений // Океанология. 2010. Т. 50, № 1. С. 26–32.

26. Ингель Л.Х. Возникновение вихревого движения, обусловленное дифференциальной диффузией // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55, № 3. С. 36–40. doi:10.31857/S0002-351555336-40