Исследование конвективных вихревых течений, формирующихся при таянии льда, в однокомпонентных и многокомпонентных средах

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 24-27-00029

НазваниеИсследование конвективных вихревых течений, формирующихся при таянии льда, в однокомпонентных и многокомпонентных средах

Руководитель Чаплина Татьяна Олеговна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-506 - Физика морских льдов

Ключевые слова Лед, вихри, волны, конвекция, многофазные системы, таяние, примесь, температура, перенос вещества и температуры, математическое моделирование, фундаментальная систе-ма, структура, лабораторный эксперимент, аналитическое решение

Код ГРНТИ30.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изучение вихревых, волновых и конвективных течений – традиционные задачи механики жидкости, практическая важность которых с годами только возрастает. В этой связи особый интерес представляет изучение комплексных явлений, когда перечисленные типы течений проявляют совместное действие или взаимно порождают друг друга. Цель данного проекта – экспериментальное и теоретическое изучение механизмов формирования вихревых конвективных течений вблизи поверхностей раздела лёд-вода, их механического воздействия на ледяной покров, измерение важнейших гидро- и термодинамических характеристик физических полей изучаемого явления и построение математической модели, позволяющей аналитически и численно исследовать термодинамические процессы в солёных и пресных водоёмах, полностью или частично покрытых льдом. Основной решаемой в рамках проекта задачей является экспериментальное и теоретическое исследование формирования вихревых течений вследствие таяния и вращения ледяных маркеров, их влияние на перенос температуры и вещества в среде. Данная проблема актуальна в силу приоритета исследований в области освоения Арктики и Антарктики. Кроме того, лучшее понимание механизма формирования конвективных течений, возникающих в процессе таяния льда может быть востребовано при обеспечении добычи полезных ископаемых на континентальном шельфе. Результаты запланированных исследований позволят продвинуться в понимании динами-ки полей температуры и примесей в циркуляционных течениях и более точно прогнозировать их распространения в природных условиях (в стратифицированных атмосфере и гидросфере).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Представлены результаты экспериментальных исследований и физического моделирования явления самопроизвольного смещения и вращения ледяного диска на поверхности неподвижной воды. Показано, что причиной наблюдаемых движений на поверхности неподвижной воды является ячеистое конвективное течение, порождённое процессом таяния льда. Проведена оценка влияния поверхностного натяжения на динамику ледяного диска. Показано, что зависимость коэффициента поверхностного натяжения на границе «вода – лёд» может привести только к смещению, но не к вращению ледяного диска. Было разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать обработку большого массива экспериментальных данных, а также визуализировать процессы, происходящие как на поверхности, так и в толще воды. Показано, что причина самопроизвольного смещения и вращения ледяных маркеров на поверхности покоящейся жидкости состоит в формировании под их нижней тающей поверхностью ячеистой конвективной структуры, порождённой несколькими центрами таяния льда. Именно наличие нескольких центров таяния способно придать ледяному диску не только поступательное, но и вращательное движение. Направление вращения зависит от знака суммарного момента, который определяется взаимным расположением центров таяния, и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. В рамках работы по проекту была разработана математическая модель ячеистого таяния нижней границы льда и исследована ее взаимосвязь с измеренными экспериментальными характеристиками конвективного вихревого течения, формирующегося при таянии ледяных маркеров. Теоретическое обоснование возникновения самопроизвольного движения льда, зависимости характеристик его движения (смещения и вращения), а также параметров вихря, образующегося подо льдом, в процессе таяния, представлены в статьях, опубликованных в ведущих российских журналах.

Публикации

1. Чаплина Т.О. Investigation of spontaneous movement of ice cover in natural reservoirs Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes.Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences, Chaplina, T.O. (2024). Investigation of Spontaneous Movement of Ice Cover in Natural Reservoirs. In: Karev, V. (eds) Proceedings of the 9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes.Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-54589-4_21

2. Чаплина Т.О., Пахненко В.П. Конвективные вихревые течения, формирующиеся при таянии льда, в однокомпонентных средах Доклады РАН. Науки о Земле, Doklady Earth Sciences, 2024, Vol. 517, Part 2, pp. 1393–1398 (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X2460213X

3. Чаплина Т.О., Пахненко В.П. Experimental Study of the Rotation of Ice Markers on the Water Surface Springer Geology., Processes in GeoMedia—Volume VIII. Springer Geology. (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-6627-7_19

4. Чаплина Т.О. Модель самопроизвольного вращения ледяного диска при таянии ИПМех РАН, Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Моск-ва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2024– 184 с. ISBN 978-5-91741-293-1, C. 169 – 172. (год публикации - 2024)

5. Пахненко В.П. Application of Vector Graphics Tools to Increase the Efficiency of Experimental Data Processing Processes in GeoMedia—Volume VIII. Springer Geology. Springer, , Processes in GeoMedia—Volume VIII, Springer Geology (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-6627-7_7

6. Кистович А.В. , Чаплина Т.О. Cамоиндуцированное смещение и вращение тающего ледяного диска на поверхности неподвижной воды Известия РАН, Механика жидкости и газа, FLUID DYNAMICS 2024, Vol. 59, No. 4, pp. 653–662. (год публикации - 2024)
10.1134/S0015462824603061

7. Пахненко В.П. Экспериментальное исследование вихревых течений, формирующихся при таянии льда ИПМех РАН, Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2024– 184 с. ISBN 978-5-91741-293-1, C. 132 – 135. (год публикации - 2024)