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)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 году были продолжены комплексные экспериментальные и теоретические исследования конвективных течений, возникающих при таянии льда на поверхности воды различной солёности. Основной целью работ являлось изучение механизмов формирования вихревых течений, самопроизвольного вращения и поступательного перемещения ледяных маркеров, а также развитие аналитических и численных моделей этих процессов. В ходе выполнения проекта в 2025 году активно применялись теневые методы визуализации с использованием теневого прибора ИАБ-458. Данный метод продемонстрировал высокую эффективность для бесконтактного изучения крупномасштабных конвективных структур. Его преимущества заключаются в высокой чувствительности к слабым градиентам и возможности наблюдения процессов в реальном времени без введения трассеров. Сравнение теневого метода с PIV показало, что каждый из них обладает своими преимуществами: теневой метод обеспечивает быструю бесконтактную визуализацию крупномасштабных течений; PIV позволяет получить количественные поля скорости. Оптимальным подходом признано их совместное применение: теневой метод используется для первичного выявления структуры течений, а PIV — для уточнения полей скоростей. Ранее считалось, что конвекция под тающим льдом имеет относительно однородный характер, однако эксперименты 2025 года впервые зафиксировали формирование множественных конвективных ячеек в приледовом слое, что подтверждает её неоднородность. Выявлены чётко выраженные восходящие и нисходящие струи; взаимодействие соседних ячеек приводит к усложнению динамики потоков. Помимо теневых методов визуализации, для изучения структуры течений применялось отслеживание потоков с помощью нейтрально-плавучих трассирующих частиц и растворимых красителей. Разработаны специальные методики подсветки (лазерный "нож", LED-источники) и синхронной высокоскоростной видеосъёмки (до 1000 кадр/с) с последующей компьютерной обработкой полученных изображений. Комбинированное применение этих методов позволило получить как количественные характеристики (поля скоростей, вихревые структуры), так и качественное описание пространственной организации течений. Выявлены различные режимы конвекции, соответствующие этапам процесса таяния: на начальных стадиях образуется ячеистая структура течений вокруг отдельных центров льда; на более поздних стадиях ячейки сливаются и образуют струйные течения, при этом на границах между ними возникают зоны интенсивного перемешивания. В 2025 году впервые выполнен детальный тепловизионный анализ пространственно-временного распределения температурных полей при таянии льда. Полученные термограммы позволили выделить три характерные фазы процесса таяния. На начальной стадии лёд ещё имеет отрицательную температуру, и в окружающей воде возникают первые локальные конвективные потоки. На стадии установившейся конвекции наблюдаются устойчивые термальные струи (особенно отчётливо в солёной воде за счёт двойной диффузии). На финальной стадии температура воды становится равномерной по всему объёму после полного таяния льда. В 2025 году выполнено более 100 экспериментов с ледяными маркерами различной формы (круглой, прямоугольной и многоугольной). Эксперименты выполнялись как в пресной воде, так и в солёных растворах различной солёности; температура воды изменялась от 5 до 20 °C, а глубина водного слоя — от 5 до 20 см. Таким образом, исследовано влияние геометрии маркера, солёности, температуры и глубины на скорость его вращения и поступательное смещение. Установлено, что угловая скорость вращения увеличивается с ростом глубины и существенно зависит от формы маркера. Отмечено также, что в начальной фазе вращения угловая скорость маркера постепенно возрастает, после чего выходит на стационарный уровень, отражающий баланс между действующим вращающим моментом и вязким сопротивлением среды. Кроме того, в солёной воде эффект двойной диффузии (взаимодействие холодной пресной и тёплой солёной воды) дополнительно усиливает конвективные потоки. Новая аналитическая и численная модель вращения ледяных маркеров, разработанная в рамках проекта, основана на предположении о приблизительно одинаковой интенсивности конвективных струй от различных центров таяния. В этом случае границы конвективных ячеек проходят по серединным перпендикулярам между центрами, что обеспечивает устойчивый вращательный режим. Полученные экспериментальные зависимости угла поворота ледяного диска от времени показали хорошее согласие с результатами аналитических расчётов, что подтверждает корректность разработанной модели. Установлено, что в солёной воде скорость вращения меньше, чем в пресной, что объясняется меньшей разностью плотностей и, как следствие, меньшей интенсивностью нисходящих конвективных струй. Модель применима для анализа динамики льда в Арктике с учётом влияния ветра и океанических течений. Полученные результаты имеют практическое значение для прогнозирования дрейфа и вращения льдин и важны для судоходства, эксплуатации морских платформ и мониторинга ледовой обстановки.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты будут способствовать разработке новых технологий мониторинга и прогнозирования, а также совершенствованию существующих подходов. В первую очередь результаты проекта найдут применение в арктической навигации и судоходстве. Разработанная математическая модель динамики льда адаптируется для прогнозирования дрейфа и вращения льдин в естественных условиях, что важно для прокладки безопасных морских маршрутов и снижения рисков судоходства. Кроме того, результаты проекта могут быть непосредственно использованы для мониторинга ледовой обстановки. Интеграция разработанной модели с данными спутниковых наблюдений и автономных датчиков повысит точность оценки состояния морского льда и позволит оперативно реагировать на изменения, предотвращая чрезвычайные ситуации.