Лаборатория гидродинамики

Описание деятельности

Основные направления научной деятельности:


• исследования динамики течений, вихрей и турбулентности в геофизических средах (океаны, моря, озера, эстуарии, водохранилища);
• изучение механизмов формирования, эволюции и взаимодействия вихрей во вращающейся стратифицированной жидкости и нестационарных потоках, обтекающих подводные возвышенности и впадины;
• изучение пампинг-эффекта и его проявления в геофизических процессах (при распространении приливных волн на мелководье, интрузии морских вод в устья приливных рек и подземные горизонты, распределении температуры во льдах);
• экспериментальные исследования природных процессов в эстуариях Белого моря;
• лабораторное моделирование вихревых и волновых процессов.

О Большой и Малой Рыбе лаборатории гидродинамики ИВП РАН

Лабораторная установка в лаборатории гидродинамики ИВП РАН

Большой интерес в физике Мирового океана представляют мезомасштабные формы рельефа дна (подводные горы, гайоты, хребты, желоба и проч.) и, в частности, процессы обтекания таких объектов в стратифицированной водной толще. Открытие топографических вихрей над подводными горами является важным этапом в развитии теорий морских течений.

А Вы знали, что именно рыба привела к открытию такого удивительного явления, как топографические вихри? Исследователи Гавайского хребта в 1967 г. зафиксировали одну аномалию: стаи рыб были там, где их не должно было быть. Жизнь существовала вдалеке от шельфа, посреди практически безжизненного океана. В дальнейшем обнаружилось, что в том месте находилась подводная гора, а над ней мощные вихревые образования. Таким образом, промысловые скопления рыбы опровергли укоренившиеся в прошлом представления о неподвижности водных масс в глубинных слоях океана!

Итак, повышенная биопродуктивность вод над подводными горами приводит к большим скоплениям рыбы. Обнаружение и исследование подобных регионов - весьма актуальная задача на фоне увеличения численности населения планеты и роста его потребностей. Истощение природных ресурсов – одна из глобальных экологических проблем человечества. Для ее решения нам следует обратиться к Мировому океану, который на сегодняшний момент изучен всего лишь на 2-3%, при том что на его долю приходится более 70% всей поверхности нашей планеты.

В Лаборатории гидродинамики ИВП РАН были проведены эксперименты по изучению столь интересной проблемы. На специально оборудованной установке (рис. 1) создавались потоки вращающейся жидкости над разными формами подводного рельефа. В качестве исследуемых жидкостей использовались растворы глицерина. В эксперименте с 30%-ым раствором глицерина хорошо наблюдался цилиндрический столбик Тейлора – антициклонический топографический вихрь над подводной возвышенностью. Вихрь не покидал кольцевую область возмущения (рис. 2). А в эксперименте с 45%-ым раствором глицерина удалось зафиксировать купольную поверхность формирующегося верхнего вихревого тора (рис. 3). Подобные явления наблюдаются и в атмосфере: атмосферный вихрь, стационарный по отношению к горе, разбивается на несколько горизонтальных «слоев» (рис. 4).

Рис 1. Экспериментальная установка: в основе установки лежит вращающаяся платформа с установленной ёмкостью для жидкости. Сама ёмкость представляет собой цилиндрическую стеклянную банку. В фальшь-дно внутри ёмкости встроено возмущение, представленное в виде двух соосных цилиндров разных радиусов и высот.

 

A

Б

В

Рис. 2. Кадры видеозаписи эксперимента с двумя соосными цилиндрами разных радиусов и 30%-ым раствором глицерина. Панель А:  c, впрыскивается алюминиевая пудра на соосные цилиндры. Панель Б:  с, подкрашенный поток жидкости сносится течением. Панель В:  с, наблюдается цилиндрический антициклонический столбик Тейлора, движущийся, как показано черной стрелкой.

Рис. 3. Кадры видеозаписей эксперимента с 45%-ым раствором глицерина, демонстрирующие начальную стадию формирования столба Тейлора в верхней поверхности вихревого тора.

Рис. 4. Природное явление: атмосферный вихрь, стационарный по отношению к горе, разбивается на несколько вихревых торов.

Помимо уединенных возвышенностей, таких как подводные горы или каньонные области, интересно изучать их комбинации и всевозможные, не являющиеся осесимметричными, возмущения рельефа дна. Одним из таких объектов предстает Кипрский вихрь, образующийся в Средиземном море при набегании потока на подводную гору, расположившуюся внутри большой морской впадины, вблизи ее границы (рис. 5).

Подводная гора носит название горы Эратосфена и является самой крупной особенностью морского дна восточного Средиземноморья. Кипрский вихрь представляет интенсивный (скорости 30-40 см/с) антициклонический вихрь около 100 км в диаметре, соседствующий с мелкомасштабным циклоном, предположительно возникшим под влиянием захвата впадины. Вместе мы их называем «Кипрской вихревой системой». На рисунке 6 представлено численное моделирование этой системы в трехслойной жидкости: красная область – Кипрский антициклон, синяя – циклон. Вихри сужаются к поверхности и имеют вид усеченных конусов Тейлора-Хогга.

Рис.5. Батиметрическая карта Левантийского бассейна, включающая остров Кипр и подводную гору Эратосфена, расположенную в глубокой впадине южнее острова. Шкала глубин градуирована в метрах. Штриховая линия обозначает границу впадины и выходящей из нее горы.

A

Б

B

Рис. 6. Численное моделирование Кипрской вихревой системы в верхнем (А), среднем (Б) и нижнем (В) слоях океана. Черные стрелки указывают направление движения потока, набегающего на гору и впадину. Штриховая линия обозначает границу впадины и выходящей из нее горы. Внутренние части петель сепаратрис связаны с топографическими вихрями: циклон (синий цвет, движение жидкости против часовой стрелки) и более крупный Кипрский антициклон (красный цвет, по часовой стрелке). Видно, что к поверхности оба вихря сужаются.

Существует еще много неизведанного в Мировом океане. Ждем Вас в Лаборатории гидродинамики ИВП РАН для совместных поисков ответов на многочисленные загадки Мировых вод!

 

Егорова В.М.

Доклады исследователей Лаборатории на Всероссийской научной конференция «Водные ресурсы: новые вызовы и пути решения» (Сочи, 2-7 октября 2017 г.)

1. Презентация: НЕЛИНЕЙНАЯ ВОЛНОВАЯ ИНТРУЗИЯ ВОД В БЕРЕГОВЫЕ ПОДЗЕМНЫЕ ГОРИЗОНТЫ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ. Зырянов В.Н., Жмур В.В., Фомин Ю. В.
2. Презентация: НЕСИММЕТРИЧНОСТЬ ЗАПАДНЫХ И ВОСТОЧНЫХ ЭСТУАРИЕВ В ДИНАМИКЕ ПРИЛИВНЫХ ВОЛН. Чебанова М.К.

ИВП РАН принял участие в конференции «XIV Biennial Conference of the Italian Society of Applied and Industrial Mathematics»
Материал к конференции: Vortex Equilibrium and Dynamics in Geophysics 

телефон: 
+7(499)1350534