Аннотация проекта:
Турбулентная конвекция в замкнутых и открытых системах – сложное многомасштабное явление, актуальность изучения которого традиционно обосновывается тем, что именно она определяет динамику множества природных систем, включая недра звезд и планет, океаны и атмосферу. Конвективные системы являются базовым объектом исследования специалистов по нелинейным системам, путям зарождения и развития хаоса, взаимодействия крупномасштабной циркуляции с мелкомасштабной турбулентностью и имеют многочисленные практические приложения как в гео- и астрофизике, так и в технологической теплофизике и гидродинамике. Новым направлением исследований турбулентной конвекции является турбулентный тепломассообмен в системах с неоднородными в пространстве и во времени граничными условиями, а также в системах с дополнительными внутренними степенями свободы (например, свободно плавающими объектами, влияющими на тепломассоперенос). Именно на решение таких задач в контексте климатологических и метеорологических приложений направлен данный проект, в рамках которого специалисты по турбулентному теплообмену, по численной и экспериментальной гидродинамике, совместно с метеорологами рассмотрят ряд задач, имеющих прямой выход на проблемы формирования опасных и неблагоприятных метеорологических условий на масштабах от крупного индустриального центра до обширных циклонов и антициклонов умеренных и полярных широт. Будет выполнено комплексное лабораторное и математическое моделирование атмосферных течений в упрощенной постановке с привлечением большого объема данных наблюдений и реанализов, а также результатов расчетов с помощью глобальных и мезомасштабных численных моделей атмосферы. Конкретно будут рассмотрены три блока задач. Первый блок направлен на исследование блокирующих явлений в умеренных широтах, которые могут быть причиной опасных метеорологических явлений, связанных с волнами тепла или холода. В рамках проекта предлагается использовать лабораторную модель, а именно тонкий вращающийся слой жидкости с разнесенными по высоте источниками тепла и холода. Пространственное и временное варьирование граничных условий позволит выявить характерные особенности крупномасштабной циркуляции и изучить статистику экстремальных событий, так называемых блокингов, и струйных течений. Это поможет понять природу роста количества экстремальных погодных явлений в последние десятилетия. Второй блок задач направлен на исследование влияния крупных плавающих теплоизолирующих объектов на формирование конвективных течений и распределение теплопотоков. Такими объектами в различных природных системах являются крупные массивы льда, тектонические плиты, облачные кластеры. Известно, что облачные кластеры, препятствуя радиационным и конвективным потокам, заметно изменяют распределение температуры вблизи подстилающей поверхности и тем самым могут оказывать существенное влияние на структуру приземных конвективных течений. Выявление связей между формированием интенсивных ветров и наличием облачных кластеров важно для лучшего понимания механизмов образования опасных метеорологических явлений. В качестве идеализированной модели данных процессов предлагается рассмотреть свободноплавающее теплоизолирующее тело на фоне интенсивной конвекции. Третий блок задач направлен на изучение формирования конвективных течений в области городской агломерации, в том числе городского острова тепла, и их влияния на условия комфортности жизни. Большую сложность при решении данной проблемы представляет разнообразная морфология городской застройки и природных ландшафтов. Решение задач данного блока требует комплексного подхода, включающего в себя совершенствование существующей микромасштабной математической модели городской атмосферы, лабораторное моделирование конвективных течений для различных морфотипов, в том числе и при наличии внешней вентиляции, анализ метеоданных и результатов численных расчетов.

Руководитель проекта:

Фрик Петр Готлобович, д.ф.-м.н., зав. лаб. ИМСС УрО РАН (г. Пермь)

Краткий отчет по результатам выполнения второго года проекта РНФ №22-61-00098:
Все задачи проекта разбиты на три блока. Первый блок направлен на исследование блокирующих явлений в умеренных широтах, которые могут быть причиной опасных метеорологических явлений, связанных с волнами тепла или холода. Второй блок задач направлен на исследование влияния крупных плавающих теплоизолирующих объектов на формирование конвективных течений и распределение теплопотоков, с приложением к таким природным объектам, как массивы льда, тектонические плиты, облачные кластеры. Третий блок задач направлен на изучение формирования вынужденных и свободноконвективных течений в области городской агломерации, в том числе городского острова тепла, и их влияния на условия комфортности жизни.
Среди основных результатов второго этапа выполнения проекта можно отметить результаты лабораторного и численного моделирования общей циркуляции атмосферы при изменении условий в полярной области. Показано, что значительная вариация мощности охлаждения и граничных условий приводит к количественным изменениям в структуре и интенсивности бароклинных волн. Установлено, что отклонения энергии основных мод для разных случаев могут достигать 25 %, а локальная вариация охлаждения оказывает сильное влияние на структуру аналога полярной ячейки. Размер и граничные условия на поверхности холодильника играют решающую роль в структуре и интенсивности аналога полярной ячейки. Переход от сильного локального охлаждения в центре и равномерного охлаждения на остальной части свободной поверхности к равномерному охлаждению по всей поверхности приводит к ослаблению зональных потоков. Главным и довольно неожиданным результатом моделирования потепления Арктики является заметная трансформация поля средней температуры, а именно: центральная область и большая часть нижнего слоя становятся теплее, в то время как большая часть верхнего слоя и периферийная (экваториальная) часть нижнего слоя становятся холоднее.
С помощью стандартного метеорологического пакета WRF-ARW версии 4.2.2 проведено моделирование предельных состояний земной атмосферы для выявления роли отдельных факторов. Предельные ситуации — глобальный океан или глобальная пустыня показали роль фазовых переходов в атмосфере Земли. В первом случае вследствие парникового эффекта циркуляция не выражена из-за отсутствия значимого межширотного градиента. Во втором случае песчаная поверхность, в отличие от океана, не может аккумулировать большое количество тепла, поэтому воздух у поверхности земли быстро охлаждается в зимнем полушарии и быстро нагревается в летнем, из-за чего пассатных течений не возникает. Комбинация океанических и пустынных зон (все однородны по меридиану) приводит к тому, что крупномасштабная циркуляция атмосферы приобретает черты, близкие к земной, что позволяет рассматривать такую конфигурацию базовой для дальнейших численных экспериментов. Проведенные эксперименты показали ведущую роль поглощенной части солнечной радиации (инсоляции) и вклада водяного пара (парниковый эффект, выделение скрытого тепла) при формировании крупномасштабных атмосферных течений.
На основе лабораторных и численных экспериментов проведен систематический анализ динамики свободноплавающего вдоль вытянутой конвективной ячейки тела и структуры возникающих конвективных течений. Показано, что поведение системы определяется числом Релея, геометрическими параметрами (отношением толщины слоя к его длине и отношением размеров тела к длине слоя), и глубиной погружения тела и демонстрирует разнообразные режимы поведения тела, от покоя и строго периодических колебаний до стохастических. Режим регулярных колебаний возникает в полостях не слишком вытянутых, при умеренных нагревах и вертикальном положении диска вблизи теплового пограничного слоя. Этот режим ограничен в пространстве параметров, но не имеет резких границ. Периодические движения возникают в определенном диапазоне отношений размера тела к длине полости. С ростом числа Релея движения диска становятся все менее регулярными. При удалении диска от теплообменника режим регулярных колебаний не регистрируется вовсе. При малых нагревах диск остается у одной из стенок, а по мере роста числа Релея начинает совершать колебательные движения вблизи одной стенки. При дальнейшем росте числа Релея диск иногда совершает экскурсы вплоть до противоположной стенки, но что интересно, асимметрия движения сохраняется на протяжении всей реализации, что позволяет предположить существование доминирующей крупномасштабной циркуляции одного знака. При еще больших нагревах движение становится хаотическим, без какой-либо асимметрии.
В лабораторных экспериментах по исследованию динамики и структуры течений в конвективной ячейке со свободной верхней поверхностью и радиационным подогревом нижней поверхности, в которой на фиксированной высоте свободно перемещается в одном направлении теплоизолирующая пластина, показано, что динамика тела существенно зависит от оптических свойств его поверхности. Диск со светоотражающей поверхностью демонстрирует регулярные квазипериодические колебания, перемещаясь от одного края полости к другому. Период колебаний существенно зависит от геометрии полости и высоты фиксации диска. Если же диск поглощает или пропускает падающий на него свет, то он перемещается к одной из боковых стенок и остается там.
Усовершенствована модель переноса излучения в городской среде в рамках программного комплекса «SigmaEco», которая теперь учитывает рассеяние солнечного и теплового излучения в дисперсной среде, а также лучистый теплообмен с зелеными насаждениями. Разработана математическая модель, описывающая влияния зеленых насаждений на тепломассообменные процессы в городской среде в приближении пористой среды и на процессы образования и переноса паров воды. Отладка модели м тестирование было выполнено на данных наблюдения в г. Красноярск.
В результате экспериментов в аэродинамической трубе с набором макетов морфотипов городской застройки с применением скоростных оптических методов, в том числе трассерной визуализации верифицированы численные модели, определены условия масштабируемости задачи, подтверждены возможности физического моделирования формирования аэрационного режима и условий ветрового комфорта городской среды в лаборатории.
Методика зонирования по уровням пешеходного ветрового комфорта, была реализована на реальных жилых микрорайонах города Красноярска. Рассматривалась городская застройка преимущественно смешанного морфотипа, где здания имеют разную геометрическую форму и высоту. В ходе проведения численных исследований было определено, что на территориях дворовых пространств преобладают благоприятные условия для пребывания человека, скорости ветра не превышают 2,5 м/с и относятся к А классу комфортности среды. Рекомендовано расположение зон отдыха, детских площадок, а также расположение общественных террас. В области расположения высотных зданий наблюдается увеличение скоростей до значений, считающихся дискомфортными и опасными для жизнедеятельности, скоростной режим характеризуется классом С. В данных областях необходимо осуществлять ветрозащитные мероприятия.

Публикации по результатам проекта, вышедшие в 2023 г.:

1.  Фрик П., Филимонов С., Гаврилов А., Попова Е., Сухановский А., Васильев А. (Frick P., Filimonov S., Gavrilov A., Popova E., Sukhanovskii A., Vasiliev A.) Rayleigh-Benard convection with immersed floating body Journal of Fluid Mechanics (2023 г.) WOS SCOPUS Q1 иные ББД
2.  Васильев А. Ю. , Попова Е.Н., Фрик П.Г., Сухановский А.Н. (Vasiliev A. Yu. , Popova E. N., Frick P. G., Sukhanovskii A. N.) Drift of a Free-floating Body in a Convective Layer Heated by Radiation Journal of Siberian Federal University. Mathematics and Physics. (2023 г.) WOS SCOPUS RSCI РИНЦ
3.  Дектерев Д. А., Лобасов А.С., Мешкова В.Д., Литвинцев К.Ю., Дектерев Ар.А., Дектерев А.А. (Dekterev D.A., Lobasov A.S., Meshkova V.D., Litvintsev K.Yu., Dekterev Ar.A., Dekterev A.A.) Анализ влияния масштабного фактора на результаты моделирования обтекания зданий Теплофизика и аэромеханика (2023 г.) WOS SCOPUS RSCI РИНЦ
4.  Литвинцев К.Ю., Дектерев А.А., Мешкова В.Д., Филимонов С.А. (Litvintsev K.Yu., Dekterev A.A., Meshkova V.D., Filimonov S.A.) Влияние излучения на формирование ветрового и температурного режима в городской среде Теплофизика и аэромеханика (2023 г.) WOS SCOPUS RSCI РИНЦ
5.  Филимонов С.А., Гаврилов А.А., Фрик П.Г., Сухановский А.Н., Васильев А.Ю. (Filimonov S.A., Gavrilov A.A., Frick P.G., Sukhanovsky A.N., Vasiliev A.Yu.) Моделирование движения погруженной пластины в развитом свободно-конвективном слое Известия вузов. Физика. (2023 г.) WOS SCOPUS RSCI РИНЦ
6.  Калинин Н.А., Ветров А.Л. (Kalinin N.A., Vetrov A.L.) Индексы комфортности климата в Перми и Красноярске за период 1991–2020 гг. Геосферные исследования (2023 г.) WOS SCOPUS РИНЦ
7.  Быков А.В., Ветров А.Л., Фрик П.Г., Сухановский А.Н., Калинин Н.А., Степанов Р.А. (Bykov, A.V., Vetrov, A.L., Frick, P.G., Sukhanovsky, A.N., Kalinin, N.A., Stepanov, R.A.) Численное моделирование предельных состояний планетарной атмосферы Географический вестник (2023 г.) RSCI РИНЦ
8.  Мешкова В., Дектерев А., Литвинцев К., Филимонов С. (Meshkova V., Dekterev A., Litvintsev K., Filimonov S.) Current approaches to studying the level of pedestrian comfort in urban development E3S Web of Conferences (2023 г.) SCOPUS иные ББД

Результаты проекта были широко представлены на российских и зарубежных конференциях в 2023 году: :
   XXIII Зимняя Школа по механике сплошных сред, Пермь, 13-17 февраля 2023:
Организована и проведена подсекция «Динамическая метеорология», на которой участниками проекта представлены устные доклады:
1) Литвинцев К.Ю., Гаврилов А.А., Филимонов С.А. Влияние излучения на формирование аэрационного режима в городской застройке
2) Дектерев Д.А., Мешкова В.Д. Применение методов трассерной визуализации для исследования аэродинамики модельных групп зданий
3) Евграфова А. В., Ветров А. Л. Анализ температуры поверхности городов Пермь и Красноярск на основе спутниковых данных
4) Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Фрик П.Г., Сухановский А.Н. Динамика свободноплавающего тела в условии естественной конвекции при радиационном нагреве
5) Филимонов С.А., Гаврилов А.А., Литвинцев К.Ю., Васильев А.Ю., Попова Е.Н. Движение погруженной пластины в развитом свободно конвективном слое
6) Сухановский А.Н., Попова Е.Н., Васильев А.Ю. Лабораторное моделирование арктического потепления
7) Степанов Р.А. Пространственная неоднородность атмосферной турбулентности по данным реанализа NCEP-CFSR
8) Калинин Н.А., Быков А.В., Ветров А.Л. Прогноз степени суровости погоды в феврале 2019 года в городе Красноярск по данным модели WRF
9) Степанов Р.А., Соколов Д.Д., Фрик П.Г. Согласованность климатических изменений различных временных масштабов в Центральной Англии и Гренландии
Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская Теплофизика», Красноярск, 28-31 марта 2023 :
10) Фрик П.Г. «Особенности турбулентной конвекции жидкого металла в замкнутых объемах» - Приглашенная лекция.
11) Васильев А., Попова Е., Сухановский А., Фрик П. Динамика и теплообмен в конвективной системе с плавающим теплоизолятором при радиационном нагреве подстилающей поверхности - Устный доклад. (Тезисы докладов I      Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С.261-263.)
12) Гаврилов А. А., Платонов Д. В., Сухановский А.Н. «Прямое численное моделирование лабораторной модели общей циркуляции атмосферы» - Устный доклад (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С.264-266.)
13) Мешков К. Н., Дектерев А. А., Мешкова В.Д., Шульженко П.Д., «Сбор метеоданных из открытых телекоммуникационных источников и методология их использования для оценки температурного уровня комфорта городской среды» - Устный доклад (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С.282-284.)
14) Литвинцев К.Ю., Дектерев А.А., Филимонов А.А. Интенсификация процессов тепломассопереноса в городском квартале под действием солнечного излучения - Устный доклад (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С. 118-120.)
15) Дектерев Д.А., Лобасов А.С., Мешкова В.Д., Литвинцев К.Ю., Дектерев Ар.А., Дектерев А.А. Анализ влияния масштабного фактора на результаты моделирования обтекания зданий - Устный доклад. (Тезисы докладов I Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская теплофизика». Красноярск, 2023. С. 99-101.) В рамках конференции "Енисейская теплофизика" организован и проведен круглый стол «ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КРУПНЫХ ГОРОДСКИХ АГЛОМЕРАЦИЙ» с двумя докладами (из 7) участников проекта:
16) Ветров А.Л. и др. «Региональная модель WRF как инструмент изучения городской атмосферы»
17) Литвинцев К.Ю. и др. «Микромасштабное моделирование атмосферы города»
VII Международный симпозиум по региональной экономике (REC-2023) «Города нового времени: система GLASS», 27-29 июня 2023 г. (Екатеринбург)
18) Мешкова В.Д., Дектерев А.А., Дектерев Д.А., Литвинцев К.Ю., Филимонов С.А.Современные подходы исследования уровня пешеходного комфорта в условиях городской застройки - устный доклад.

   XIII всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, 21-25 августа 2023 года, Санкт-Петербург.
19) Фрик П.Г., Степанов Р.А., Шестаков А.В. О реализуемости режима Обухова-Болджиано в среде с неоднородной плотностью и неконсервативных каскадах в развитой турбулентности - Устный доклад
20) Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Гаврилов А. Влияние локального охлаждения на формирование бароклинных волн во вращающемся слое - устный доклад
 VIII Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика"

  Научная молодежная школа "Теплофизика и физическая гидродинамика: современные вызовы" (ТФГСВ2023), 4-10 сентября (Махачкала)  http://www.itp.nsc.ru/tph/2023/index.html
21) Дектерев Д.А., Литвинцев К.Ю., Мешкова В.Д., Дектрев Ар.А. «Анализ применимости численных моделей для моделирования ветровой комфортности микрорайонов» - устный доклад IX Всероссийская конференция "Пермские гидродинамические научные чтения", 4-6 октября 2023 (Пермь)
22) Фрик П.Г., Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Сухановский А.Н., Филимонов С.А., Гаврилов А.А. Дрейф погруженного в жидкость тела при конвекции в прямоугольных полостях - устный доклад (Аннотации докладов. С.42.)
23) Васильев А.Ю., Попова Е.Н., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Динамика свободноплавающих тел в слое жидкости с радиационным нагревом - устный доклад (Аннотации докладов. С.12.)
24) Быков А.В., Сухановский А.Н., Калинин Н.А., Степанов Р.А., Фрик П.Г., Ветров А.Л. Моделирование предельных состояний планетарной атмосферы с использованием пакета WRF-ARW - устный доклад (Аннотации докладов. С.12.)
25) Сухановский А.Н., Гаврилов А.А., Васильев А.Ю., Попова Е.Н. Моделирование арктического потепления в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы - устный доклад (Аннотации докладов. С.40.) 9-th International Conference on Rayleigh-Benard turbulence, 16-20 Oct.2023. Xi'an. China
26) Peter Frick “Large Scale Dynamics of Turbulent Convection in Closed Systems” // 9-th International Conference on Rayleigh-Benard turbulence, 16-20 Oct.2023. Xi'an. China (Keynote Talk) - Приглашенная лекция
27) Andrei Sukhanovskii, Andrei Gavrilov, Elena Popova, Andrei Vasiliev “Modeling of baroclinic waves with geophysical applications” // 9-th International Conference on Rayleigh-Benard turbulence, 16-20 Oct.2023. Xi'an. China - устный доклад

   Всероссийская конференция «XXXIX Сибирский теплофизический семинар» посвящённой 90-летию академика А.К. Реброва» 28-31 августа 2023 г., Новосибирск.
28) Шульженко П.Д., В.Д. Мешкова, Дектерев А.А. Численное исследование формирования ветровых зон в результате обтекания моделей разной геометрической формы - устный доклад
29) Шульженко П.Д., Мешкова В.Д., Дектерев А.А., Мешков К.Н. Численное исследование аэрационного режима жилой застройки - устный доклад

   Международная научная конференция «Безопасность жизнедеятельности и климатические риски развития территории Енисейской Сибири», 16-19 октября 2023г., Красноярск.
30) Шульженко П.Д., Мешкова В.Д., Дектерев А.А., Мешков К.Н. Численное исследование аэрационного режима городской застройки периметрального типа - устный доклад
31) Мешкова В.Д., Шульженко П.Д., Дектерев А.А., Литвинцев К.Ю., Мешков К.Н. Численное исследование формирования аэрационного режима и условий ветрового комфорта в разных морфотипах городской застройки - устный доклад.

• Назад
• Вперед