Информация о материале

Категория: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ)

Опубликовано: 09 декабря 2022

Просмотров: 2468

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.

Информация о материале

Категория: Конкурсы Российского научного фонда (РНФ)

Опубликовано: 08 декабря 2022

Просмотров: 1456

Аннотация проекта: 

Общая циркуляция атмосферы в большой степени обусловлена нагревом солнечным излучением и имеет конвективную природу. Неоднородное распределение солнечного излучения приводит к появлению горизонтальных градиентов температуры и формированию крупномасштабного дифференциального движения в атмосфере. Неустойчивость крупномасштабной циркуляции атмосферы приводит к появлению вихрей различного масштаба, которые оказывают колоссальное влияние на жизнедеятельность человека. Так циклоны и антициклоны синоптического масштаба в значительной степени определяют изменения погоды. Все чаще наблюдаются аномальные погодные явления, такие как струйные вторжения холодных масс воздуха, приводящие к резкой смене погоды.

 В силу того, что повлиять на крупномасштабные атмосферные движения невозможно, ключевой проблемой является улучшение прогноза динамики течений различного масштаба, которое позволит значительно  снизить риски в различных сферах жизнедеятельности человека, особенно в сельском хозяйстве. Развитие прогностических систем требует решения ряда фундаментальных проблем, в том числе связанных с формированием и динамикой дифференциального вращения в конвективной среде. 

Целью проекта является реализация лабораторной модели общей циркуляции атмосферы. Лабораторное моделирование было и до сих пор остается эффективным подходом для исследования геофизических течений различных масштабов. Лабораторная модель общей циркуляции атмосферы необходима для лучшего понимания базовых особенностей эволюции и динамики сложного течения, сочетающего меридиональную конвективную циркуляцию и интенсивные зональные течения. Реализация такой лабораторной модели является нетривиальной задачей. Наибольшую сложность представляет организация меридиональной конвективной циркуляции состоящей из трех крупномасштабных ячеек, моделирующих ячейки Хэдли, Ферреля и полярную. Подбор основных параметров, таких как геометрические размеры, интенсивность нагрева и охлаждения, наклон дна (учет бета-эффекта) определяет поисковый характер проекта.

   Конкретно, в ходе выполнения проекта будет проведено лабораторное исследование дифференциального вращения в случае нагрева на периферии и охлаждения в центре вращающегося слоя (лабораторный аналог глобальной атмосферной циркуляции) и нагрева в центре и охлаждения на верхней границе (лабораторный аналог тропического циклона). Эксперименты будут проведены для широкого интервала управляющих параметров, различных конфигураций распределения температуры (потоков тепла) на верхней и нижней границах, в том числе и с учетом бета-эффекта (в слое переменной толщины). Целью экспериментального исследования является выявление основных параметров влияющих на структуру меридиональной циркуляции во вращающемся слое, с разнесенными по высоте и радиусу источниками тепла и холода, и подбор конкретных значений основных параметров, позволяющих реализовать трехячеистую структуру, подобную структуре общей циркуляции атмосферы.

Проект будет реализован в лаборатории физической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН. Уникальная экспериментальная база для исследований конвективных течений во вращающихся прозрачных средах, созданная в лаборатории и высокая квалификация участников проекта, дает уверенность в успешной реализацию проекта, носящего выраженный поисковый характер и получить задел в новой для научного коллектива тематике.

Руководитель проекта:

Сухановский Андрей Николаевич, д.ф.-м.н., с.н.с. ИМСС РАН (г. Пермь)

Задачи проекта:

Проект направлен на создание и апробацию лабораторной модели общей циркуляции атмосферы.

В настоящее время, наиболее широко используемая модель общей циркуляции атмосферы представляет собой зазор между двумя коаксиальными цилиндрами, на стенках которых задаются различные значения температуры. Этот подход достаточно эффективно моделирует крупномасштабную циркуляцию в средних широтах, в частности динамику антициклонов.  Однако общая циркуляция атмосферы имеет более сложную структуру и состоит из нескольких ячеек (Хэдли, Ферреля и полярной), сезонная интенсивность которых может заметно варьироваться.  Учет этих эффектов при описании циркуляции атмосферы требует нового подхода. Участники проекта, варьируя толщину слоя, расстояние между источниками нагрева и охлаждения, их интенсивность и наклон дна планируют реализовать  меридиональную циркуляцию в виде трех ячеек. Реализованная лабораторная модель послужит основой для решения целого комплекса задач.

Для реализации лабораторной модели общей циркуляции атмосферы необходимо решить ряд конкретных задач:

- влияние интенсивности нагрева и охлаждения на структуру меридионального и азимутального течений.

- влияние скорости вращения на структуру меридионального и азимутального течений. В качестве основных параметров характеризующих эффекты вращения будут использоваться термическое число Россби и число Тейлора. 

- влияние наклона дна на структуру меридионального и азимутального течений. Данный блок направлен на изучение роли бета-эффекта (изменения силы Кориолиса с широтой) на формирование крупномасштабных течений.

Материалы по теме:

Презентация основных результатов первого года проекта

Видео (во вращающейся системе отсчета, ускоренное в 10 раз):
0.48 рад/c Rот=0.2

0.37 рад/c Roт=0.4

0.13 рад/c Roт=3.1

0.08 рад/c Roт=8.4

Краткий итоговый отчет по результатам выполнения второго года проекта РНФ № 22-21-00572:

Разработана новая модель общей циркуляции атмосферы представляющая собой вращающийся, слой жидкости  с аспектным отношением заметно меньшим единицы, с локализованным кольцевым нагревателем, расположенным на периферии дна и холодильником, в форме диска, который помещен в центральной части, на верхней границе слоя жидкости.  Кольцевой нагреватель моделирует нагрев в области экватора, а холодильник, охлаждение в полярной области. Нагреватель специально смещен от боковой стенки для минимизации ее влияния на формирование течений, за счет прилипания на границе.

На основе разработанной принципиальной схемы была реализована экспериментальная модель, представляющая собой кювету квадратного сечения со стороной 700 мм, и высотой 200 мм. Для реализации цилиндрического слоя в кювету вставлена дополнительная цилиндрическая стенка из оргстекла толщиной 3 мм и радиусом  R = 345 мм. На дне расположен кольцевой, электрический нагреватель с шириной в  25 мм. Расстояние от боковой стенки до внешней границы нагревателя составляет 40 мм. Охлаждение жидкости обеспечивается теплообменом с окружающим воздухом на свободной поверхности (температура в помещении поддерживается постоянной с помощью системы кондиционирования воздуха), холодильником, расположенным в центральной части верхней границы, и потоком тепла через боковую стенку. Для визуализации структуры потока в верхнем слое использовалась алюминиевая пудра. Съемка изображений осуществлялась с помощью 4 мегапиксельной CCD камеры Bobcat 2020.

Экспериментальные измерения дают лишь частичную информацию об исследуемой системе, поэтому для восстановления трехмерной структуры течения выполнено прямое численное моделирование тепловой конвекции во вращающемся цилиндрическом слое с помощью свободно распространяемого пакета вычислительной гидродинамики OpenFOAM v2106. Вычислительная область по своим геометрическим размерам, расположению кольцевого нагревателя и холодильника является цифровой копией экспериментальной модели.

Решение основной задачи проекта потребовало проведения большого цикла экспериментов и расчетов. Варьировались мощность нагрева (от 8 до 120 Вт), скорость вращения (от 0.08 до 0.48 рад/с), толщина слоя (3 см и 6 см), физические свойства жидкости (вода и ПМС-5, числа Прандтля 5.4 и 63). Проведен анализ большого объема данных полученных при помощи экспериментов и математического моделирования. На основе этих результатов были подготовлены и опубликованы три статьи, в том числе в двух журналах высокого уровня, специализирующихся на геофизической тематике (Q2), еще одна статья подготовлена и проходит рецензирование.

Для того, чтобы показать преимущества предлагаемой модели общей циркуляции атмосферы, ее применимости для решения актуальных задач динамической метеорологии был проведен детальный анализ численных и экспериментальных результатов. Были построены средние распределения функции тока, трех компонент скорости, температуры, энергии пульсаций. Проведено количественное и качественное сравнение структуры течений и волновых движения для всех конфигураций, анализ влияния процессов в слое Экмана на структуру течений и формирование бароклинных волн, обзор исследований, посвященных динамике и структуре бароклинных волн средних широт. отмечены их достоинства и недостатки, области возможного применения, выделены актуальные задачи.

Проведены эксперименты и расчеты с наклонным дном, с целью изучения влияния бета-эффекта на структуру средних течений и бароклинных волн. Исследования проводились для различных толщин слоя (3 см и 6 см) и для трех вариантов наклона (0, 5 и 10 градусов) и трех режимов вращения. Проведен анализ результатов.

В качестве основных результатов полученных в ходе проекта можно выделить следующие:

- показаны принципиальные отличия при формировании средних крупномасштабных течений и бароклинных волн в различных моделях циркуляции атмосферы. Важным отличием представленной модели от классических кольцевых конфигураций является отсутствие устойчивых волн. Все волновые режимы, даже с регулярной волновой структурой, характеризуются сильными непериодическими флуктуациями. Наблюдаемые бароклинные волновые структуры представляют собой комбинацию эволюционирующих во времени различных бароклинных мод. Это доказывает, что пространственное распределение нагрева и охлаждения, их расположение и тип граничного условия важны для устойчивости бароклинных волн. С ростом скорости вращения волны становятся нерегулярными, и представляют собой набор азимутальных волновых мод, основная энергия которых содержится  в модах от m=2 до m=8, что хорошо согласуется с данными для реальной атмосферы. Построена карта режимов на диаграмме термическое число Россби – число Тейлора.

- проведен анализ влияния процессов в слое Экмана на формирование средних течений и бароклинных волн. Анализ был проведен на основе данных численных расчетов. Показано, что основным источником меридиональной циркуляции является тепловая конвекция, а радиальные потоки, индуцированные в вязком пограничном слое, не имеют первостепенного значения для формирования крупномасштабной циркуляции. При этом пульсации скорости затухают в слое Экмана, в результате чего бароклинные волны в нашей модели локализуются в верхнем слое, что согласуется с результатами других  авторов, как для лабораторной системы, так и для реальной атмосферы.

- важнейшим результатом проведенных исследований является успешная реализация в лабораторной модели течений, структура которых качественно подобна циркуляции в реальной атмосфере. Модель позволяет получить меридиональную циркуляцию, состоящую из трех ячеек, аналогов ячеек Хэдли, Ферреля (волновой природы) и полярной. Структура бароклинных волн, место их формирования, модовый состав также подобны тому, что наблюдается в атмосфере. Показано, что атмосферный режим в лабораторной модели реализуется только в ограниченном диапазоне параметров. Уменьшение скорости вращения приводит к регуляризации бароклинных волн, а увеличение скорости вращения наоборот ведет к разрушению длинных волн и геострофической турбулентности. Реализованная модель позволяет осуществлять длительные контролируемые эксперименты и может служить эффективным инструментом для изучения различных аспектов глобальной атмосферной циркуляции.

- для изучения влияния бета-эффекта на структуру средних течений и бароклинных волн реализованы эксперименты и численные расчеты с наклонным дном. Расчеты показали, что изменение аспектного отношения в два раза (от 0.09 до 0.17) не приводит к качественному изменению структуру средней меридиональной циркуляции. Относительно небольшой наклон (5 градусов) приводит к заметным количественным изменениям в течении жидкости, сохраняя общую структуру течения. Однако дальнейшее увеличение наклона до 10 градусов приводит к кардинальным изменениям, как в структуре течения, так и в интенсивности волновых движений. Сильное влияние на структуру течения оказывает формирование нисходящего холодного потока за счет наклона дна (аналог склоновых течений). Наличие наклона дна приводит к интенсификации волновых движений. Трансформация меридиональной циркуляции при больших наклонах приводит к заметным изменениям зональных течений, в частности, к формированию антициклонической циркуляции вблизи дна. Общие изменения в структуре и динамике течений приводят к заметным изменениям в распределении средней температуры. Эксперименты были проведены для угла наклона в 5 градусов, фиксированной мощности нагрева (120 Вт), двух толщин слоя (35 мм и 60 мм), трех скоростей вращения 0.11 рад/с (режим без бароклинных волн), 0.23 рад/с (режим регулярных нестационарных бароклинных волн) и 0.37 рад/с. Качественный анализ наблюдаемых течений показал, что бета эффект оказывает существенное влияние на структуру и динамику волн.

 Основные публикации по результатам проекта:

1. Harlander, U.; Sukhanovskii, A.; Abide, S.; Borcia, I.D.; Popova, E.; Rodda, C.; Vasiliev, A.; Vincze, M. New Laboratory Experiments to Study the Large-Scale Circulation and Climate Dynamics // Atmosphere, 2023, 14, 836. https://doi.org/10.3390/atmos14050836 (WoS, Scopus), Q2
2. Andrei Sukhanovskii, Elena Popova and Andrei Vasiliev. A shallow layer laboratory model of large-scale atmospheric circulation // Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics, Vol.117, N.3,2023, P.155-176, DOI: 10.1080/03091929.2023.2220877 (WoS, Scopus), Q2
3.  Васильев А. Ю., Попова Е.Н., Сухановский А. Н. Структура течений в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы // Вычислительная механика сплошных сред, (2023), 16(3), 321–331. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.3.27 (Scopus)
4.  Vasiliev A., Sukhanovskii A., Popova E. Influence of Bottom Inclination on the Flow Structure in a Rotating Convective Layer (2024) // Fluid Dynamics & Material Processing (принята в печать)

Результаты работы были представлены на представительных российских конференциях:

1. Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Попова Е.Н.Режимы течений в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы, устный доклад на VIII Всероссийской конференции "Пермские гидродинамические научные чтения", посвященной памяти профессоров Г. З. Гершуни, Е. М. Жуховицкого и Д. В. Любимова, 5-7 октября, 2022 г. (Пермь)
2. Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Попова Е.Н. Лабораторное моделирование общей циркуляции атмосферы, устный доклад на Всероссийской конференции, посвященной памяти академика Александра Михайловича Обухова «Турбулентность, динамика атмосферы и климата», 22 – 24 ноября 2022. (Москва)
3. Сухановский А.Н., Васильев А.Ю., Попова Е.Н. Лабораторное моделирование общей циркуляции атмосферы, устный доклад на конференции-семинаре «Актуальные проблемы геофизической гидродинамики», посвященной памяти профессора Феликса Витальевича Должанского, 30 ноября 2022 г. (Москва)
4. Попова Е.Н., Сухановский А.Н., Васильев А.Ю. Влияние аспектного отношения на формирование бароклинных волн во вращающемся цилиндрическом слое, стендовый доклад на XXIII Зимней школе по механике сплошных сред, 13-17 февраля 2023 г. Пермь.
5.  Васильев А.Ю., Сухановский А.Н., Попова Е.Н. Влияние наклона дна на бароклинные волны в лабораторной модели общей циркуляции атмосферы, устный доклад на IX Всероссийской конференции Пермские гидродинамические чтения, 4-6 октября, 2023 г., Пермь.
6.  Сухановский А.Н. Лабораторное моделирование крупномасштабных геофизических течений, результаты проекта вошли в приглашенный доклад на школе-конференции “Современная гидродинамика 2023”, Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, 29-31 августа 2023 г. г. Черноголовка.

Информация о материале

Категория: Наши исследования

Опубликовано: 11 ноября 2022

Просмотров: 2416

На портале Минобрнауки вышла статья, посвящённая работе учёных из ИМСС УрО РАН

Запасы традиционной (легкой) нефти естественным образом истощаются. Это приводит к необходимости создания новых технологий для извлечения сверхтяжелой нефти, которая отличается высоким уровнем вязкости. Ученые разработали цифровой двойник месторождения сверхтяжелой нефти. Трехмерная математическая модель позволит подобрать оптимальные параметры нефтедобычи с учетом особенностей геологического строения конкретного месторождения и поможет оценить его рентабельность. Работу провели специалисты подведомственного Минобрнауки России Института механики сплошных сред, входящего в Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН.

Подробнее: Цифровые двойники помогут оценить рентабельность нефтяных месторождений

Информация о материале

Категория: Наши исследования

Опубликовано: 06 сентября 2022

Просмотров: 2810

В ведущем научном журнале в области механики жидкости Journal of Fluid Mechanics вышла статья сотрудников ИМСС УрО РАН Мизёва А.И., Шмырова А.В. и Шмыровой А.И. «On the shear-driven surfactant layer instability». Работа посвящена изучению течений в жидкостях, на поверхности которых имеется слой молекул поверхностно-активного вещества (или сурфактанта). Межфазная гидродинамика, в рамках которой рассматриваются такого типа задачи, до сих пор далека от полного понимания явлений, несмотря давнюю историю развития. Это связано с междисциплинарным характером таких проблем, лежащих на стыке гидродинамики и физической химии. Слои сурфактанта толщиной всего в одну молекулу представляют собой двумерные объекты, характеризующиеся своей собственной диффузией и реологией, что необходимо учитывать при описании течений жидкости.

Подробнее: На стыке гидродинамики и физической химии