Поддержание инерционными волнами столбового вихря в турбулентном течении вращающейся жидкости

В турбулентном течении вращающейся жидкости могут формироваться когерентные столбовые вихри – крупномасштабные геострофические течения, однородные вдоль оси вращения. Их возникновение вызвано квазидвумерной картиной взаимодействия течений, когда сила Кориолиса преобладает над силами инерции: в этом случае оно переносит энергию от накачки (силы, возбуждающей турбулентность) во все более крупные потоки. На эксперименте [1] наблюдались когерентные циклоны во вращающейся турбулентности внутри установки-куба при возбуждении течений вблизи его боковых ребер. В докладе мы представляем теоретическую модель для описания структуры среднего течения циклона и сравниваем полученные в ней профили скорости с данными измерений из продолжения этого эксперимента.

Изучается модель осесимметричного столбового вихря во вращающейся жидкости, течение которого поддерживается за счет поглощения инерционных волн, приходящих с периферии системы. Рассмотрение крупномасштабного интенсивного вихря в случае быстрого вращения системы обосновывает квазилинейное приближение теории, в котором инерционные волны оказывают совокупное действие на поток вихря через напряжение Рейнольдса [2]. При этом для быстрой эволюции волны сила Кориолиса и её перенос средним течением доминируют над нелинейным взаимодействием волн между собой. В модели накачка представлена в виде падающих извне случайных инерционных волн с коротковолновой статистикой, а эффекты вязкости полагаются слабыми. При таких условиях доминирующим механизмом передачи энергии и момента импульса среднему течению является резонансное поглощение волны в окрестности критического слоя, исследованное в предыдущей работе [3]. Усреднением по ансамблю касательного напряжения Рейнольдса получено уравнение на среднюю скорость вихря. Мы показываем проверку результатов теории для циклонов, сопоставляя измеренный радиальный профиль скорости с решением уравнения при калибровке модели по условиям эксперимента.

[1] D.D. Tumachev, S.V. Filatov, S.S. Vergeles, and A.A. Levchenko. JETP Letters, 118: 426–432 (2023).

[2] I.V. Kolokolov, L.L. Ogorodnikov, S.S. Vergeles, Phys. Rev. Fluids, 5, 034604 (2020).

[3] N.A. Ivchenko, S.S. Vergeles, Physics of Fluids 37, 126605 (2025).