533.6.011.6 Численное моделирование квази-двумерных турбулентных течений в замкнутой кубической ячейке

Фортова С. В. (Институт автоматизации проектирования РАН), Ермаков А. Д. (Институт автоматизации проектирования РАН)

КВАЗИ-ДВУМЕРНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ПРЯМОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, CFD ПАКЕТЫ, ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЖИДКОСТЬ


doi: 10.18698/2309-3684-2024-4-7892


Многие атмосферные и океанические явления демонстрируют особенности квазидвумерной турбулентности, возникающей при наличии силы вращения. Исследование процессов вихреобразования в таких системах обусловлена необходимостью развития качественного прогнозирования возникновения циклонов и антициклонов. Указанные погодные явления представляют собой геострофические течения, которые могут быть описаны в рамках квази-двумерной турбулентности. В данной работе на основе численного моделирования системы уравнений Навье-Стокса исследуется задача формирования когерентных вертикальных структур в кубической ячейке при наличии вращения (Кориолисовой силы) и постоянно действующей внешней силы (накачки). В ходе численных экспериментов в зависимости от величин силы вращения и силы накачки получено несколько типов течений — хаотический режим, режим возникновения нескольких вихрей-циклонов и режим возникновения одного крупного циклона с антициконом внутри циклонической области (“циклон-антициклон”).


[1] Frisch U. Turbulence: The Legacy of A. N. Kolmogorov. Journal of Fluid Mechanics, 1996, vol. 317, pp. 407–410.
[2] Pope S.B. Turbulent flows. Cambridge University Press, 2000, 812 p.
[3] Davidson P.A. Turbulence in Rotating, Stratified and Electrically Conducting Fluids. Cambridge University Press, 2013, 695 p.
[4] Godeferd F.S., Moisy F. Structure and dynamics of rotating turbulence: a review of recent experimental and numerical results. Applied Mechanics, 2015, vol. 67, art. no. 030802.
[5] Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса. Доклады АН СССР, 1967, т. 30, № 4, c. 476–481.
[6] Boffetta G., Ecke R.E. Two-Dimensional Turbulence. Annual Review of Fluid Mechanics, 2012, vol. 44, pp. 427-451.
[7] Sommeria J. Experimental Study of the Two-Dimensional Inverse Energy Cascade in a Square Box. Journal of Fluid Mechanics, 1986, vol. 170, pp. 139-168.
[8] Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Яновский В.В. Теория возникновения крупномасштабных структур в гидродинамической турбулентности. Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 1983, т. 85, № 6, с. 549–553.
[9] Alexakis A., Biferale L. Cascades and transitions in turbulent flows. Physics Reports, 2018, vol. 767-769, pp. 1-101.
[10] Campagne A., Gallet B., Moisy F., Cortet P.-P. Disentangling inertial waves from eddy turbulence in a forced rotating-turbulence experiment. Physical Review E, 2015, vol. 91, art. no. 043016.
[11] Levina G.V., Moiseev S.S., Rutkevich P.B. Hydrodynamic Alpha-Effect in a Convective System. Non-Linear Instability, Chaos and Turbulence, Series Advances in Fluid Mechanics, 2000, pp. 110-161.
[12] Арнольд В.И., Мешалкин Л.Д. Семинар А. Н. Колмогорова по избранным вопросам анализа (1958-1959). Успехи математических наук, 1960, т. 15, выпуск 1, с. 247-250.
[13] Бондаренко Н.Ф., Гак М.З., Должанский Ф.В. Лабораторная и теоретическая модели плоского периодического течения. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 1979, с. 1017-1026.
[14] Doludenko A.N., Fortova S.V., Kolokolov I.V., Lebedev V.V. Coherent vortex versus chaotic state in two-dimension turbulence. Annals of Physics, 2022, vol. 447, part 2, art. no. 169072.
[15] Тумачев Д.Д., Филатов С.В., Вергелес С.С., Левченко А.А. Два режима динамики когерентных столбовых вихрей во вращающейся жидкости. Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2023, т. 118, выпуск 6, с. 430-437.
[16] [Электронный ресурс]. URL: https://www.openfoam.com
[17] Marshall J., Adcroft A., Hill C. A finite-volume, incompressible Navier Stokes model for studies of the ocean on parallel computers. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1997, vol. 102, pp. 5753—5766.
[18] Tumachev D., Filatov S., Vergeles S., Levchenko A. Two dynamical regimes of coherent columnar vortices in rotating fluid. JETP Letters, 2023, vol. 118, pp. 426–432.
[19] Yue-Kin Tsang. Nonuniversal velocity probability densities in two-dimensional turbulence: The effect of large-scale dissipation. Physics of Fluids, 2010, vol. 22, art. no. 115102.
[20] M. Chertkov, C. Connaughton, I. Kolokolov, V. Lebedev. Dynamics of Energy Condensation in Two-Dimensional Turbulence. Physisal Reiew Letters, 2007, vol. 99, art. no. 084501.


Фортова С.В., Ермаков А.Д. Численное моделирование квази-двумерных турбулентных течений в замкнутой кубической ячейке. Математическое моделирование и численные методы, 2024, № 4, с. 78–92.


Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (госзадание 124022400174-3).


Скачать статью

Количество скачиваний: 15