О динамике турбулентности, возбуждаемой надводным судном. Натурные наблюдения и лабораторный эксперимент

В настоящее время задача об эволюции турбулентной области в следе за движущимся судном обсуждается в связи с необходимостью идентификации неоднородностей, различимых на спутниковых изображениях морской поверхности и связанных с изменением интенсивности ветрового волнения. Взаимодействие поверхностных волн с турбулентностью в следе за кораблем приводит к снижению интенсивности ветрового волнения, поэтому знание временной эволюции турбулентной области оказывается весьма важным для задач дистанционного зондирования океана. Настоящая работа посвящена исследованию динамики турбулентности в следе надводного судна в натурных условиях и сопоставлению результатов натурных исследований с данными лабораторного эксперимента.
В 2006 - 2008 годах был проведен ряд экспериментов по исследованию временной эволюции турбулентной области, возбуждаемой надводным движущимся пассажирским судном. Измерения проводились в прибрежной зоне Черного моря с использованием акустического профилографа скорости течений ADCP Workhorse Sentinel 600 кГц, установленного на моторном катере. После прохождения судна, катер многократно пересекал след за кораблем по заданному направлению, при этом производилась запись профилей обратного акустического рассеяния. Турбулентная область в следе за кораблем маркируется повышенным уровнем обратного акустического рассеяния. В процессе обработки по профилям интенсивности обратного акустического рассеяния были определены зависимости геометрических размеров корабельного следа от времени. На начальном этапе глубина следа практически не меняется, и турбулентная область расширяется в направлении поперечном к треку судна по степенному закону близкому к x~t0.6. Из анализа уравнений полуэмпирической теории турбулентности следует, что такая зависимость соответствует условию постоянства потока турбулентной энергии в центральной плоскости следа.
Для интерпретации результатов натурных наблюдений был проведен ряд лабораторных экспериментов. Установка представляла собой кювету из оргстекла, заполненную жидкостью, в которой турбулентность генерировалась горизонтально осциллирующей на дне пластинкой с ребрами. Движение фронта турбулизованной жидкости визуализировалось краской и записывалось на видеокамеру. Зависимость толщины турбулентной области от времени определялась посредством обработки видеозаписей и данных акустического доплеровского измерителя скорости течений 16-MHz Acoustic Doppler Velocimeter. Полученные зависимости оказались близки к зависимости x~t0.6, которая отвечает условию постоянства потока турбулентной энергии на дне. Поскольку при непрерывном действии решетки в кювете развиваются два симметричных вихревых образования, с восходящим потоком жидкости в центре кюветы и нисходящими потоками по краям, задание граничного условия постоянства потока на дне кюветы может рассматриваться как способ учета течения влияющего на динамику фронта турбулентности. В натурном эксперименте реализация данного режима динамики турбулентного фронта может быть обусловлена наличием крупномасштабных вихрей, образующихся при вращении винтов судна. В пользу такой гипотезы свидетельствует концентрирование поверхностно-активных веществ вдоль границ следа за счет их выноса такими течениями.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 08-05-00634, 07-05-00125), ИНТАС (проект BOW), а также проектов Научной школы акад. В.И. Таланова и программы “Мировой океан”.