Крупномасштабные течения в турбулентном конвективном слое с подвижным теплоизолятором

Е.Н. Попова, П.Г. Фрик (Пермь)

Астрофизические и геофизические течения имеют, как правило, конвективную природу, а характерные размеры природных систем таковы, что безразмерные параметры (числа Рейнольдса или Релея) имеют огромные значения, и потоки турбулентны. Само понятие – турбулентность - ассоциируется с хаосом, разрушением изначально упорядоченных потоков и передачей энергии регулярных крупномасштабных течений в пульсации малых масштабов, обеспечивающих эффективную диссипацию кинетической энергии. Возникают, однако, и ситуации, когда энергия неупорядоченных мелкомасштабных движений под действием каких-либо физических механизмов преобразуется в энергию упорядоченных крупномасштабных движений. В конвективных течениях этот процесс может быть связан с тем или иным способом влияния на конвективные потоки тепла. В данной работе рассмотрена задача о возникновении макротечений на фоне развитой турбулентной конвекции в случае, когда воздействие на тепловой поток происходит за счет снижения эффективности вертикальных конвективных движений плавающим в потоке телом. Экспериментально исследованы течения в подогреваемом снизу слое жидкости, ограниченном медными горизонтальными теплообменниками. В качестве подвижного изолирующего тепло объекта использован диск из плексигласа толщиной 1 мм, глубину погружения которого можно контролировать. Показано, что в зависимости от числа Релея и расстояния от диска до горизонтальной поверхности в слое возникают либо регулярные колебания, либо колебания с выраженной временной перемежаемостью, либо хаотические колебания. Исследование фурье- и вейвлет-спектров колебаний положения центра диска позволило определить тип и найти частоту колебаний и построить карту режимов, которая наглядно иллюстрирует зависимость возникновения того или иного типа движений от безразмерных параметров системы. Получена экспериментальная зависимость частоты колебаний теплоизолятора от числа Релея и положения объекта в слое жидкости.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ-Урал № 01-01-96482).