О расслоении линейно стратифицированной жидкости под влиянием однородного по вертикали перемешивания (лабораторный эксперимент)

Выполнена серия опытов по перемешиванию водного слоя с изначально постоянным вертикальным градиентом солености (плотности) колеблющимися вертикальными стержнями, создающими однородное турбулентное воздействие по всей толщине водного слоя. В результате перемешивания в большинстве опытов происходило образование ступенчатой структуры, в виде последовательности квазиоднородных слоев, разделенных высоко градиентными прослойками. Ступенчатая структура в поле плотности наблюдалась с помощью теневого прибора (шлирен-метод). В некоторых опытах ступенчатая структура не образовывалась, и стратификация, несмотря на перемешивание, характеризовалась постоянным вертикальным градиентом плотности. В каждом опыте с расслоением производились измерения толщин квазиоднородных слоев. Установлена автомодельная зависимость безразмерной толщины слоя от числа Ричардсона. В размерном виде эта зависимость свидетельствует о том, что толщина квазиоднородного слоя пропорциональна произведению амплитуды колебания стержней на отношение кинетической энергии турбулентного воздействия к потенциальной энергии стратификации. Представлена диаграмма, позволяющая судить о закономерности образования слоев при различных значениях чисел Рейнольдса и Ричардсона. Проведенные опыты показали, что не только дифференциально-диффузионная конвекция, но и продолжительное механическое перемешивание при определенных условиях может приводить к ступенчатому расслоению устойчиво стратифицированной водной среды.

1. Федоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 184 с.

2. Журбас В.М., Озмидов Р.В. (ред.). Формы тонкой термохалинной структуры океана. Каталог // Материалы океанологических исследований. Вып. 1. М.: Межведомственный геофизический комитет при Президиуме Академии Наук СССР, 1987. 134 с.

3. Журбас В.М., Кузьмина Н.П., Кульша О.Б. Ступенчатое расслоение океанского термоклина при трансформации термохалинных интрузий солевыми пальцами (численный эксперимент) // Океанология, 1987, Т. 27, вып. 3. С. 377–383.

4. Ruddick B.R., McDougall T.J., Turner J.S. The formation of layers in a uniformly stirred density gradient // Deep-Sea Research. 1989. Vol. 36. P. 597–609. https://doi.org/10.1016/0198-0149(89)90009-5

5. Park Y.-G., Whitehead J.A., Gnanadesikan A. Turbulent mixing in stratified fluids: layer formation and energetics // Journal of Fluid Mechanics. 1994. Vol. 279, P. 279–311. https://doi.org/10.1017/S0022112094003915

6. Dmitrenko I., Golovin P., Dehn J. et al. Influence of sea ice on under-ice mixing under stratified conditions: potential impacts on particle distribution // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 1998. Vol. 46, N 4. P. 523–529. EDN LENYDJ. https://doi.org/10.1006/ecss.1997.0293

7. Barenblatt G.I., Bertsch M., Dal Passo R. et al. A mathematical model of turbulent heat and mass transfer in stably stratified shear flow // Journal of Fluid Mechanics. 1993. Vol. 253. P. 341–358. EDN XOPOGY. https://doi.org/10.1017/S002211209300182X

8. Balmforth N.J., Llewellyn Smith S.G., Young W.R. Dynamics of interfaces and layers in a stratified turbulent fluid // Journal of Fluid Mechanics. 1997. Vol. 355. P. 329–358. https://doi.org/10.1017/S0022112097007970

9. Пака В.Т. Тонкая структура термоклина на центральном участке течения Кромвелла // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1984. Т. 20, № 1. С. 86.

10. Golenko N.N., Paka V.T., Shchuka S.A. Finestructure and mesoscale structure of thermohaline and hydrochemical fields in the White Sea // Oceanology. 2003. Vol. 43. Suppl. EDN LIDDEP

11. Зацепин А.Г., Голенко Н.Н., Корж А.О. и др. Влияние динамики течений на гидрофизическую структуру вод и вертикальный обмен в деятельном слое Черного моря // Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 327–339. EDN IAFSJJ

12. Gerasimov V.V., Zatsepin A.G. Relationship between Fine Layering of Stratified Water Environment and Vertical Turbulent Mass Transport // Oceanology. 2024. Vol. 64, N 5. P. 647–657. EDN CNWESN. https://doi.org/10.1134/S0001437024700334

13. Phillips O.M. Turbulence in a strongly stratified fluid: Is it unstable? // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1972. Vol. 19. P. 7–81. https://doi.org/10.1016/0011-7471(72)90074-5

14. Posmentier E.S. The generation of salinity fine structure by vertical diffusion // Journal of Physical Oceanography. 1977. Vol. 7. P. 298–300. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1977)0072.0.CO;2

15. Герасимов В.В., Зацепин А.Г., Кандауров А. и др. Лабораторное исследование параметров мелкомасштабной турбулентности генерируемой колеблющимися решетками в водной среде методом PIV // Волны и вихри в сложных средах: 15 я международная конференция — школа молодых ученых; 19–22 ноября 2024 г., Москва: Сборник материалов школы, С. 62–65. М.: ООО «ИСПОпринт», 2024. 273 с.

16. Zatsepin A.G. On peculiarities and similarities of the coherent structure formation in stratified and rotating fluid // Turbulent mixing in geophysical flows (P.F. Linden and J.M. Redondo — Eds.). 2001. P. 211–299. International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE), Barcelona.

17. Zatsepin A.G., Gerasimov V.V., Ostrovskii A.G. Laboratory study of turbulent mass exchange in a stratified fluid // Journal of Marine Science and Engineering. 2022. Vol. 10. P. 756–774. EDN CHBHBZ. https://doi.org/10.3390/jmse10060756

18. Баренблатт Г.И. Автомодельные явления — анализ размерностей и скейлинг. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2009. 216 с.