КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 21-71-20039
НазваниеГлубоководная гидродинамика: математические модели и натурный эксперимент
Руководитель Макаренко Николай Иванович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл
Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-307 - Динамика идеальной жидкости
Ключевые слова гравитационные течения, внутренние волны, нелинейная дисперсия, сдвиговая неустойчивость, полуаналитические методы, натурные измерения, глубоководные каналы
Код ГРНТИ30.17.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Придонные течения в Мировом океане, формирующиеся в полярных областях и направленные к экватору, являются в настоящее время объектом пристального изучения в контексте оценки возможных климатических последствий. Особую роль в системе таких течений играют потоки воды в разломах подводных хребтов, через которые происходит водообмен между океаническими котловинами. Необычные условия глубоководной стратификации океана и труднодоступность объекта для прямых наблюдений ставят ряд новых задач гидродинамики. Новизна предлагаемых исследований определяется оригинальностью разрабатываемых математических моделей, основанных на современных представлениях о процессах в неоднородной жидкости, характерных для больших глубин.
Проект в целом направлен на решение фундаментальной проблемы изучения структуры и динамики глубоководных течений в океане, их влияния на гидрофизические свойства морских акваторий. Решение указанной проблемы тесно связано с развитием методов математического моделирования стратифицированных течений, распространения разномасштабных нелинейных волновых возмущений, генерации турбулентности и сопутствующего массопереноса, базирующихся на прочной экспериментальной основе и результатах натурных измерений. Предполагается, что проведение натурных экспериментальных исследований, необходимых для построения и верификации математических моделей, будет существенной составной частью данного проекта.
Объектом инфраструктуры мирового уровня для проведения планируемых исследований является научно-исследовательское судно ИО РАН “Академик Сергей Вавилов”. Авторы проекта – сотрудники ИГиЛ СО РАН уже имеют многолетний опыт успешного взаимодействия с океанологами при проведении морских экспедиций НИС “Академик Сергей Вавилов”. Данный корабль обеспечивает уникальные возможности для проведения исследований по широкому спектру научных дисциплин практически во всех акваториях Мирового океана. Все работы на борту этого судна, имеющего порт приписки Калининград, выполняются в российской юрисдикции, т.е. на российской территории. Исполнители проекта будут принимать непосредственное участие в гидрофизических экспериментах по изучению глубоководных течений и обработке натурных данных.
Теоретическая часть работы по проекту будет состоять в построении и исследовании приближенных математических моделей, позволяющих описать основные свойства наблюдаемых течений. Для этих моделей будут построены точные и приближенные решения, проведены численные расчеты и выполнено сравнение с лабораторными экспериментальными результатами и натурными данными. Основное внимание будет уделено исследованию распространения солитоноподобных внутренних волн в придонных слоях, моделированию слоев смешения в расслоенных потоках, изучению стационарных структур и переходных процессов в жидкости с экстремально слабой стратификацией.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Голиков А.Е., Макаренко Н.И. Гидродинамические нагрузки при разгоне цилиндра под свободной поверхностью Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2022)
Публикации
1.
Ляпидевский В.Ю., Чесноков А.А.
Уединенные внутренние волны с захваченным ядром в многослойной мелкой воде
Теоретическая и математическая физика, Т. 211, № 2, С. 249–263 (год публикации - 2022)
10.4213/tmf10263
2.
Чесноков А.А., Гаврилюк С.Л., Ляпидевский В.Ю.
Mixing and nonlinear internal waves in a shallow flow of a three-layer stratified fluid
Physics of Fluids, 34, 075104 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0093754
3.
Макаренко Н.И., Мальцева Ж.Л., Черевко А.А.
Внутренние волны в двухслойных стратифицированных течениях
Прикладная механика и техническая физика, Т.63, N6, c.135-143 (год публикации - 2022)
10.15372/PMTF20220615
Публикации
1.
Кириллов В.В., Ляпидевский В.Ю., Суторихин И.А., Храпченков Ф.Ф.
Особенности трансформации нелинейных внутренних волн на шельфе и в глубоком озере
Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа, Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 6. С. 121-131. (год публикации - 2023)
10.31857/S1024708423600537
2.
Ляпидевский В.Ю.
Равновесная модель плотностного течения
Труды Математического института имени В. А. Стеклова, Т. 322, С. 167–179 (год публикации - 2023)
10.4213/tm4303
3.
Ермишина В.Е., Чесноков А.А.
Finite-amplitude internal solitary waves in a shear flow of a two-layer fluid
Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 12(1), 1–13 (год публикации - 2024)
10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2023049751
4.
Морозов Е.Г., Фрей Д.И., Зуев О.А., Макаренко Н.И., Селиверстова А.М., Мехова О.С., Кречик В.А.
Antarctic bottom water in the Vema fracture zone
Journal of Geophysical Research: Oceans, 128 (8), e2023JC019967 (год публикации - 2023)
10.1029/2023JC019967
5.
Макаренко Н.И., Мальцева Ж.Л., Черевко А.А.
Уединенные волны в двухслойной жидкости с кусочно-экспоненциальной стратификацией
Прикладная математика и механика, том 87, № 2, с. 186–198 (год публикации - 2023)
10.31857/S0032823523020091
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Построена и исследована новая математическая модель, описывающая расщепление стратифицированного сдвигового потока над донным препятствием с учетом вовлечения жидкости в промежуточные вихревые прослойки вследствие развития сдвиговой неустойчивости. Модель основана на системе законов сохранения массы, импульса и энергии и представима в виде неоднородной гиперболической системы уравнений, которая верифицирована на имеющихся в литературе и новых экспедиционных натурных данных о развитии слоя смешения в транскритических течениях над подводным хребтом. В рамках построенной модели исследованы режимы течения, характерные для стратифицированных потоков в подводных водопадах.
Построены и исследованы новые асимптотические решения уравнений Эйлера неоднородной жидкости и нелинейных систем с дисперсией типа уравнений Грина-Нагди, описывающие сопряженные течения и бегущие внутренние волны в двухслойной и трехслойной жидкости с учетом непрерывной стратификации и сдвига скорости в слоях. На основе этих точных аналитических решений исследованы бифуркации предельных режимов уединенных внутренних волн типа плато. Выполнено сравнение асимптотических решений с численными решениями и результатами экспериментов.
Проведены натурные измерения глубоководных течений в разломе Вима в южной части Северо-Атлантического хребта с использованием объекта инфраструктуры – научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш”. Экспедиционные исследования параметров потока на глубинах до 6000 м выполнялись с помощью акустического доплеровского измерителя скорости течений и зондов температуры, солености и плотности. Полученные и обработанные натурные данные дают представление о пространственной структуре и гидрофизических свойствах стратифицированного течения глубинных вод антарктического происхождения в окрестности главной седловины разлома. Информация о завершении экспедиции была дана по телеканалу ВГТРК:
https://vesti-kaliningrad.ru/flagman-rossijskogo-nauchnogo-flota-akademik-mstislav-keldysh-vernulsya-v-kaliningrad/
Построены новые асимптотические решения уравнений Эйлера, описывающие свободное и вынужденное движение цилиндра в глубокой жидкости. Данная математическая постановка моделирует поведение погружаемых измерительных зондов под действием возникающих гидродинамических нагрузок. На основе полученных решений исследована начальная стадия неустановившееся движения жидкости при разгоне цилиндра.
Публикации
1.
Макаренко Н.И., Мальцева Ж.Л., Черевко А.А.
Solitary waves in a two-layer fluid with piecewise exponential stratification
Fluid Dynamics, V. 58, N7. P. 1235-1245. (год публикации - 2023)
10.1134/S0015462823602218
2.
Голиков А.Е., Макаренко Н.И.
Свободное движение цилиндра под поверхностью глубокой жидкости
Прикладная механика и техническая физика, Т.65, №5. С. 76–84. (год публикации - 2024)
10.15372/PMTF202415502
3. Ляпидевский В.Ю., Зуев О.А., Макаренко Н.И., Морозов Е.Г., Фрей Д.И. Расщепление стратифицированных течений над препятствиями Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
нет