Том 38, номер 01, статья № 3

Аннотация:

Показано, что развитие теории турбулентности должно быть направлено на анализ не только вихревой несжимаемой, но и адиабатической компоненты, прежде всего флуктуаций давления и плотности. Интенсивность флуктуаций давления в турбулентном потоке сопоставляется с флуктуациями потенциально доступной энергии лагранжевых частиц. Предложено уравнение, связывающее выравнивание флуктуаций энтропии в турбулентной среде со скоростью генерации адиабатических флуктуаций. По измерениям в атмосферном пограничном слое оценивается постоянная скорости выравнивания флуктуаций энтропии или скорости звука. Эта постоянная позволяет связать интегральный пространственный масштаб турбулентных вихрей со среднеквадратичным отклонением флуктуаций скорости звука в атмосферном пограничном слое. Построены оценки амплитуды адиабатического шума в турбулентной среде и показана связь его энергии со временем корреляции вихревых флуктуаций скоростей.

Ключевые слова:

турбулентность, адиабатические флуктуации, потенциально доступная энергия, скорость диссипации флуктуаций скорости звука

Список литературы:

1. Щеглов П.В. Проблемы оптической астрономии. М.: Наука, 1980. 271 с.
2. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.
3. Обухов А.М. Турбулентность и динамика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 413 с.
4. Рытов С.Н., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Т. 2. Случайные поля. М.: Наука, 1978. 463 с.
5. Фриш У. Турбулентность. Наследие Колмогорова. М.: Наука, 1998. 343 с.
6. Batchelor G.K. The Theory of Homogeneous Turbulence. Cambridge: Cambridge University Press, 1953. 197 р.
7. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. М.: Наука, 1967. Ч. 2. 720 с.
8. Pope S.B. Turbulent Flows. Cambridge: Cambridge University Press, 2000. 771 p.
9. Обухов А.М. Пульсации давления в турбулентном потоке // Докл. АН СССР. 1949. Т. 66, № 1. С. 17–20.
10. Batchelor G.K. Pressure fluctuations in isotropic turbulence // Math. Proc. Cambridge Philos. Soc. 1951. V. 47, N 2. P. 359–374. DOI: 10.1017/S0305004100026712.
11. Spiegel E.A., Veronis G. On the Boussinesq approximation for a compressible fluid // Astrophys. J. 1960. V. 131. P. 442–447. DOI: 10.1086/146849.
12. Ogura Y., Phillips N.A. Scale analysis of deep and shallow convection in the atmosphere // J. Atmos. Sci. 1962. V. 192, N 2. P. 173–179. DOI: 10.1175/1520-0469(1962)019<0173:SAODAS>2.0.CO;2.
13. Sreenivasan K.R. The passive scalar spectrum and the Obukhov–Corrsin constant // Phys. Fluid. 1996. V. 8, N 1. P. 189–196. DOI: 10.1063/1.868826.
14. Taylor G.I. The spectrum of turbulence // Proc. Roy. Soc. London. Ser. A. 1938. V. 164. P. 476–490. DOI: 10.1098/rspa.1938.0032.
15. Юшков В.П. Флуктуации давления в турбулентной атмосфере и их роль в генерации адиабатических движений // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физ. Астрон. 2020. № 6. С. 34–44. DOI: 10.3103/S0027134920060223.
16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 6: Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 737 c.
17. Обухов А.М. Структура температурного поля в турбулентном потоке // Изв. АН СССР. Сер. геоф. и геогр. 1949. Т. 13, № 1. С. 58–69.
18. Corrsin S. The decay of isotropic temperature fluctuations in an isotropic turbulence // J. Aeronaut. Sci. 1951. V. 18, N 6. P. 417–423. DOI: 10.2514/8.1982.
19. Hill R.J. Models of the scalar spectrum for turbulent advection // J. Fluid. Mech. 1978. V. 88, N 3. P. 541–562. DOI: 10.1017/S002211207800227X.
20. Mydlarski L., Warhaft Z. Passive scalar statistics in high-Péclet-number grid turbulence // J. Fluid. Mech. 1998. V. 358. P. 135–175. DOI: 10.1017/S0022112097008161.
21. Hauf T., Finke U., Neisser J., Bull J., Stangenberg J. A ground-based network for atmospheric pressure fluctuations //J. Atmos. Ocean. Technol. 1996. V. 13, N 5. P. 1001–1023. DOI: 10.1175/1520-0426(1996)013<1001:AGBNFA>2.0.CO;2.
22. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically. I. General theory // Proc. Roy. Soc. London. Ser. A. 1952. V. 211, N 1107. P. 564–587. DOI: 10.1098/ rspa.1952.0060.
23. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically II. Turbulence as a source of sound // Proc. Roy. Soc. London. Ser. A. 1954. V. 222, N 1148. P. 1–32. DOI: 10.1098/rspa.1954.0049.
24. Юшков Е.В., Юшков В.П. Рассеяние звука на турбулентных флуктуациях давления и энтропии // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физ. Астрон. 2011. № 6. C. 114–120.
25. Каллистратова М.А. Экспериментальное исследование рассеяния звука в турбулентной атмосфере // Докл. АН СССР. 1959. Т. 125. С. 62–72.
26. Willmarth W.W., Wooldridge C.E. Measurements of the fluctuating pressure at the wall beneath a thick turbulent boundary layer // J. Fluid Mech. 1962. V. 14, N 2. P. 187–210. DOI: 10.1017/S0022112062001160.
27. Farabee T.M., Casarella M.J. Spectral features of wall pressure fluctuations beneath turbulent boundary layers // Phys. Fluids A: Fluid Dynamics (1989–1993). 1991. V. 3, N 10. P. 2410–2420. DOI: 10.1063/1.858179.
28. Kaimal J.C., Finnigan J.J. Atmospheric Boundary Layer flows: Their Structure and Measurement. Oxford: Oxford University Press, 1994.
29. Oncley S.P., Friehe C., LaRue J., Businger J., Itsweire E., Chang S.S. Surface-layer fluxes, profiles, and turbulence measurements over uniform terrain under near-neutral conditions // J. Atmos. Sci. 1996. V. 53, N 7. P. 1029–1044. DOI: 10.1175/1520-0469(1996)053<1029:SLFPAT>2.0.CO;2.
30. Larsen S.E., Edson J.B., Fairall C.W., Mestayer P.G. Measurement of temperature spectra by a sonic anemometer // J. Atmos. Ocean. Technol. 1993. V. 10, N 3. P. 345–354. DOI: 10.1175/1520-0426(1993)010<0345:MOTSBA>2.0.CO;2.
31. Kouznetsov R.D., Kallistratova M. Anisotropy of a small-scale turbulence in the atmospheric boundary layer and its effect on acoustic backscattering // Proc. of the 15th International Symposium for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing, 2010 (CD-ROM).
32. Burns S.P., Horst T.W., Jacobsen L., Blanken P.D., Monson R.N. Using sonic anemometer temperature to measure sensible heat flux in strong winds // Atmos. Meas. Tech. 2012. V. 5, N 9. 2095–2111. DOI: 10.5194/amt-5-2095-2012.
33. Neggers R.A.J., Siebesma A.P. The KNMI Parameterization Testbed. User’s Guide. 2010. URL: https://ruisdael-observatory.nl/cesar-database/ (last access: 29.04.2024).
34. Kaimal J.C., Gaynor J.E. The Boulder Atmospheric Observatory // J. Clim. Appl. Meteorol. 1983. V. 22, N 5. P. 863–880.
35. Poulos G.S., Blumen W., Fritts D., Lundquist J., Sun J., Burns S., Nappo C., Banta R., Newsom R., Cuxart J., Terradellas E., Balsley B., Jensen M. CASES-99: A comprehensive investigation of the stable nocturnal boundary layer // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2002. V. 83, N 4. P. 555–582. DOI: 10.1175/1520-0477(2002)083<0555:CACIOT>2.3.CO;2.
36. Yushkov V.P. The Hamiltonian formalism and quantum-mechanical analogy in the probabilistic description of turbulence // Moscow University Phys. Bull. 2015. V. 70, N 4. P. 217–225. DOI: 10.3103/S0027134915040153.
37. Forster D., Nelson D.R., Stephen M.J. Large-distance and long-time properties of a randomly stirred fluid // Phys. Rev. A. 1977. V. 16, N 2. P. 732–749. DOI: 10.1103/PhysRevA.16.732.
38. Canet L., Delamotte B., Wschebor N. Fully developed isotropic turbulence: Nonperturbative renormalization group formalism and fixed-point solution // Phys. Rev. E. 2016. V. 93, N 6. P. 063101. DOI: 10.1103/PhysRevE.93.063101.
39. Hasselmann K. Feynman diagrams and interaction rules of wave–wave scattering processes // Rev. Geophys. 1966. V. 4, N 1. P. 1–32. DOI: 10.1029/RG004i001p00001.
40. Захаров В.Е. Гамильтоновский формализм для волн в нелинейных средах с дисперсией // Изв. вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17, № 4. С. 431–453.