Влияние пространственной неоднородности нагрева на генерацию крупномасштабного спирального вихря

И.В. Колесниченко, Г.В. Левина, А.Н. Сухановский (Пермь)

В данной работе исследовался вращающийся слой жидкости, подогреваемый в центральной области. В отсутствие вращения наблюдались три типа конвективных структур. Горизонтальный перепад температуры приводит к появлению крупномасштабного адвективного течения: осредненный подъем жидкости над нагревателем, дивергентное растекание с опусканием жидкости у вертикальных стенок кюветы и конвергентное течение в нижних слоях к центру кюветы. Течение над нагревателем состоит из хаотически всплывающих термиков, вне зоны подогрева образуется система конвективных валов.

При вращении слоя на жидкость начинает действовать сила Кориолиса. В результате ее действия в нижних слоях, где поток жидкости направлен к центру, жидкость закручивается в направлении вращения кюветы, циклонически. В верхних слоях, где движение направлено от центра, поток закручивается антициклонически. Если число Грасгофа выше некоторого критического значения, то в центре полости зарождается спиральный циклонический вихрь пронизывающий всю толщину слоя.

Для нагрева использовались нагреватели двух типов, с однородным и неоднородным распределением температуры. Получены экспериментальные зависимости критического числа Грасгофа от числа Рейнольдса для нагревателей обоих типов. Показано, что в случае однородного распределения температуры на нагревателе генерация вихря происходит при более высоких критических числах Грасгофа.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 01-05-64232, № 02-05-062-09, № 02-05-062-10, РФФИ-Урал № 01-01-96482), а также при поддержке Американского фонда гражданских исследований и развития (АФГИР) (грант № РЕ-009-0).