Слоистая структура устойчиво стратифицированных турбулентных течений со сдвигом скорости

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Проанализированы данные численного моделирования устойчиво-стратифицированных турбулентных течений Куэтта при различных значениях числа Ричардсона. Для расчетов применены две различные технологии: прямое численное моделирование (DNS) и моделирование методом крупных вихрей (LES). Показано, что, независимо от метода расчета, наряду с хаотической турбулентностью, течения содержат крупные организованные структуры. В поле температуры эти структуры проявляются как наклонные слои жидкости со слабоустойчивой стратификацией, разделенные очень тонкими слоями с большими градиентами температуры. Существование подобных слоистых структур в природе косвенно подтверждается анализом данных натурных измерений на метеорологической мачте, где обнаружены гистограммы распределения градиентов температуры, далекие от нормального распределения и аналогичные распределениям в численных моделях. В моделях зафиксирован рост турбулентного числа Прандтля при увеличении градиентного числа Ричардсона. Вполне вероятно, что выявленные структуры служат эффективными барьерами для вертикального турбулентного переноса тепла, не блокируя при этом перенос импульса. Предлагается гипотеза, что именно эти структуры и служат физическим механизмом поддержания турбулентности при сверхкритически устойчивой стратификации.

Об авторах

А. В. Глазунов

Институт вычислительной математики PAH им. Г.И. Марчука; Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ им. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: glazunov@inm.ras.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Губкина, 8; 19234, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1, стр. 1

Е. В. Мортиков

Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ им. Ломоносова; Институт вычислительной математики PAH им. Г.И. Марчука

Email: glazunov@inm.ras.ru
Россия, 19234, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1, стр. 1; 119991, Москва, ул. Губкина, 8

К. В. Барсков

Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН; Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ им. Ломоносова

Email: glazunov@inm.ras.ru
Россия, 119017, Москва, Пыжевский пер. 3; 19234, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1, стр. 1

Е. В. Каданцев

Институт атмосферных и земных систем (INAR) Университет Хельсинки

Email: glazunov@inm.ras.ru
Финляндия, Хельсинки

С. С. Зилитинкевич

Финский метеорологический институт, FMI; Институт атмосферных и земных систем (INAR), Университет Хельсинки

Email: sergej.zilitinkevich@fmi.fi
Финляндия, Хельсинки

Список литературы

  1. Островский Л.А., Троицкая Ю.И. Модель турбулентного переноса и динамика турбулентности в стратифицированном сдвиговом потоке // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1987. T. 23. № 10. C. 1031–1040.
  2. Zilitinkevich S.S., Elperin T., Kleeorin N., Rogachevskii I. Energy-and flux-budget (EFB) turbulence closure model for stably stratified flows. Part I: steady-state, homogeneous regimes // Boundary-Layer Meteorol. 2007. V. 125. Issue 2. P. 167–191.
  3. Zilitinkevich S.S., Elperin T., Kleeorin N., Rogachevskii I., Esau I. A hierarchy of energy-and fluxbudget (EFB) turbulence closure models for stablystratified geophysical flows // Boundary-Layer Meteorol. 2013. V. 146. Issue 3. P. 341–373.
  4. Обухов А. М. Турбулентность в температурно-неоднородной атмосфере // Тр. Ин-та теорет. геофизики АН СССР. 1946. Т. 1. С. 95–115.
  5. Монин А.С., Обухов А.М. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы // Труды Геофизического института АН СССР. 1954. № 24 (151). С. 163–187.
  6. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Доклады Академии наук СССР. 1941. T. 30. № 4. C. 99–102.
  7. Колмогоров А.Н. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости // Изв. АН СССР. физ. сер. 1942. Т. 6. № 1–2. С. 56–58.
  8. Обухов А.М. Структура температурного поля в турбулентном потоке // Изв. АН СССР, сер. геогр. и геофиз. 1949. Т. 13. № 1. С. 58–69.
  9. Обухов A.M. О влиянии архимедовых сил на структуру температурного поля в турбулентном потоке // Докл. АН СССР. 1959. Т. 125. № 6. С. 1246–1248
  10. Yeung P.K., Xu S., Sreenivasan K.R. Schmidt number effects on turbulent transport with uniform mean scalar gradient // Physics of Fluids. 2002. V. 14(12). P. 4178–4191.
  11. Brethouwer G., Hunt J.C.R., Nieuwstadt F.T.M. Microstructure and Lagrangian statistics of the scalar field with a mean gradient in isotropic turbulence // Journal of Fluid Mechanics. 2003. V. 474(10). P. 193–225.
  12. Chung D., Matheou G. Direct numerical simulation of stationary homogeneous stratified sheared turbulence // Journal of Fluid Mechanics. 2012. V. 696, P. 434–467.
  13. Gotoh T., Yeung P.K., Davidson P.A., Kaneda Y., Sreenivasan K.R. Passive scalar transport in turbulence: a computational perspective // Ten Chapters in Turbulence (Cambridge University Press). 2013. P. 87–131.
  14. Sullivan P.P., Weil J.C., Patton E.G., Jonker H.J., Mironov D.V. Turbulent winds and temperature fronts in large-eddy simulations of the stable atmospheric boundary layer // Journal of the Atmospheric Sciences. 2016. V. 73(4). P. 1815–1840.
  15. Глазунов А.В. Численное моделирование устойчиво-стратифицированных турбулентных течений над плоской и городской поверхностями // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 3. C. 271–271.
  16. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика: механика турбулентности. Часть 1. М.:Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1965. 640 с.
  17. Miles J.W. On the stability of heterogeneous shear flows // Journal of Fluid Mechanics. 1961. 10(4). P. 496–508.
  18. Howard L.N. Note on a paper of John W. Miles // Journal of Fluid Mechanics. 1961. V. 10. 4. P. 509–512.
  19. Zilitinkevich S.S., Elperin T., Kleeorin N., Rogachevskii I., Esau I., Mauritsen T. and Miles M.W. Turbulence energetics in stably stratified geophysical flows: Strong and weak mixing regimes // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2008. V. 134. № 633. P. 793–799.
  20. Grachev A.A., Andreas E.L, Fairall C.W., Guest P.S., Persson P.O.G. On the turbulent Prandtl number in the stable atmospheric boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2007. V. 125. 2. P. 329–341.
  21. Глазунов А.В. Численное моделирование устойчиво-стратифицированных турбулентных течений над поверхностью городского типа. Спектры и масштабы, параметризация профилей температуры и скорости // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 4. С. 406–419.
  22. Мортиков Е.В. Численное моделирование движения ледяного киля в стратифицированной жидкости // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52. № 1. С. 120–128.
  23. Глазунов А.В., Мортиков Е.В., Лыкосов В.Н. Суперкомпьютерные технологии математического моделирования геофизической турбулентности // Труды Международной конференции по вычислительной и прикладной математике «ВПМ’17» Марчуковские научные чтения — 2017 (25 июня – 14 июля 2017 г.). Новосибирск. Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. 2017. С. 197–203.
  24. Глазунов А.В. Вихреразрешающее моделирование турбулентности с использованием смешанного динамического локализованного замыкания. Ч. I. Формулировка задачи, описание модели и диагностические численные тесты // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 1. C. 7–28.
  25. Glazunov A., Rannik U., Stepanenko V., Lykosov V., Auvinen M., Vesala T., Mammarella I. Large-eddy simulation and stochastic modeling of Lagrangian particles for footprint determination in the stable boundary layer // Geoscientific Model Development. 2016. V. 9(9). P. 2925–2949.
  26. Morinishi Y., Lund T.S., Vasilyev O.V., Moin P. Fully conservative higher order finite difference schemes for incompressible flow // J. Comp. Phys. 1998. V. 143. № 1. P. 90–124.
  27. Germano M., Piomelli U., Moin P., Cabot W.H. A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model // Phys. Fluids. A 1991. V. 3. P. 1760–1765.
  28. Businger J. A., Wyngaard J.C., Izumi Y., Bradley E.F. Flux-profile relationships in the atmospheric surface layer // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28. № 2. P. 181–189.
  29. Барсков К.В., Глазунов А.В., Репина И.А., Степаненко В.М., Лыкосов В.Н., Маммарелла И. О применимости теории подобия для устойчиво-стратифицированного атмосферного пограничного слоя над поверхностями сложной структуры //Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54. № 5. С. 544–555.
  30. Chu C.R., Parlange M.B., Katul G.G., Albertson J.D. Probability density functions of turbulent velocity and temperature in the atmospheric surface layer // Water Resour. Res. 1996. V. 32. № 6. P. 1681–1688.
  31. Caughey S.J. Boundary-layer turbulence spectra in stable conditions // Boundary-Layer Meteorology. 1977. V. 11. № 1. P. 3–14.
  32. Kraichnan R.H. Inertial ranges in two-dimensional turbulence // The Physics of Fluids. 1967. V. 10. № 7. P. 1417–1423.
  33. Глазунов А.В., Дымников В.П. Пространственные спектры и характерные горизонтальные масштабы флуктуаций температуры и скорости в конвективном пограничном слое атмосферы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49. № 1. C. 37–61.
  34. Wyngaard J.C. On the surface-layer turbulence // In: D.A. Haugen, Ed., Workshop on Micrometeorology, American Meteorological Society, Boston, 1973, pp. 101–149.
  35. Nieuwstadt F.T.M. The turbulent structure of the stable, nocturnal boundary layer // J. Atmos. Sci. 1984. V. 41. № 14. P. 2202–2216.
  36. Обухов А.М. О распределении масштаба турбулентности в потоках произвольного сечения // Прикладная математика и механика. Институт механики АН СССР. 1942. Т. VI. Вып. 2–3. С. 209–221.
  37. Zilitinkevich S., Druzhinin O., Glazunov A., Kadantsev E., Mortikov E., Repina I., Troitskaya Yu. Dissipation rate of turbulent kinetic energy in stably stratified sheared flows // Atmospheric Chemistry and Phisics. 2018 (submitted) https://www.atmos-chem-phys-discuss.net/acp‑2018–978/
  38. Grachev A.A., Andreas E.L., Fairall C.W., Guest P.S., Persson P.O.G. The critical Richardson number and limits of applicability of local similarity theory in the stable boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 2013. V. 147, 1. P. 51–82.
  39. Babić K., Rotach M.W. Turbulence kinetic energy budget in the stable boundary layer over a heterogeneous surface // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 2018. V. 144. № 713B. P. 1045–1062.
  40. Stiperski I., Calaf M. Dependence of near-surface similarity scaling on the anisotropy of atmospheric turbulence // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 2018. V. 144. № 712A. P. 641–657.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2019

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах