Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидросфереНИР

Experimental studies, physical and mathematical modeling of main physical processes in the hydrosphere

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
12 1 января 2014 г.-31 января 2014 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: Проведен анализ лабораторных экспериментов по исследованию формы поверхности вихревых систем, возникающих во вращающейся жидкости, формы поверхностных загрязнений во вращающейся жидкости, исследовано влияние формы поплавков на характер движения в вихревых структурах. Получена физическая и математическая модель развития вязкого дрейфового течения на поверхности нелинейных диспергирующих волн. Проведено экспериментальное исследование развития вязкого дрейфового течения при наличии на взволнованной и гладкой поверхности воды нефтяных сликов. Оценено влияние температуры и относительной влажности воздуха на изменение энергообмена между водоемом и атмосферой в ночное время в период развития весеннего термобара. Оценено влияние энергообмена на изменение теплозапаса водоема, местоположение термобара и скорость его перемещения
13 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: Изучена зависимость распространения примесей в вихревом течении от физических свойств и объема примеси (нефть, дизельное топливо, подсолнечное, касторовое и авиационное масла, а так же смеси вышеперечисленных веществ в различных пропорциях). Эксперименты показали, что как в пресной, так и в соленой воде несмешивающиеся жидкости частично остаются на свободной поверхности, частично затягиваются в толщу жидкости, где образуют связное масляное тело в окрестности оси вращения. Добавление примеси приводит к уменьшению глубины поверхностной каверны, причем, чем более легкая и маловязкая жидкость, тем мельче каверна и тоньше слой нерастворимой примеси под ней. Получена математическая модель расчета поля давления ветра на подветренный склон ветровых волн и подветренный скат крыш домов. Предложен способ ликвидации скачка давления на подветренном скате крыши, приводящего к отрыву крыши во время шквалистого ветра. Проведено экспериментальное исследование вихревых структур в вязком слое воздуха и параметров ветровых волн в зоне их генерации. С помощью математического моделирования проведено исследование влияния ветра различной силы и направления на формирование течений, термобара и термического состояния пресных водоемов в период таяния ледового покрова.
14 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: 1. В 2016 году проводилось экспериментальное исследование геометрии и динамики переноса различных веществ в компактных составных вихрях в широком диапазоне физических параметров задачи. Проведенные опыты показали, что составной вихрь в прозрачном контейнере позволяет изучать изменение контактной поверхности вода – маркер, отслеживать изменения ее структуры в зависимости от свойств выбранного маркера. Экспериментально изучена тонкая структура поверхностей раздела нефтяное тело – вода и жидкость (вода или несмешивающиеся углеводороды) – воздух в составном вихре, включая режим начала формирования эмульсий. В качестве объекта исследования были выбраны массово используемые жидкости (подсолнечное и авиационное масла, нефть, дизельное топливо, а также их смеси в разных пропорциях). Проведенные эксперименты показали, что в исследуемом вихре как в пресной, так и в соленой воде несмешивающиеся жидкости (такие как масло, дизельное топливо) частично остаются на свободной поверхности, частично затягиваются в толщу жидкости, где образуют связное масляное тело в окрестности оси вращения. Впервые рассмотрена задача аналитического определения формы масляного тела в составном вихре на основе анализа уравнений механики разноплотных жидкостей с физически обоснованными граничными условиями. Получены зависимости, отражающие форму границ раздела фаз в вихревом течении жидкости, состоящей из двух компонент. Аналитические выражения, характеризующие форму нулевого приближения для границ раздела фаз в составном вихре, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Проведенные эксперименты показывают ярко выраженную зависимость параметров, характеризующих движение твердотельного маркера на поверхности вихря от формы и размеров маркера. Твердотельные маркеры обращаются вокруг центра каверны вихря и одновременно вращаются вокруг собственной оси. Угловые скорости вращения и обращения связаны функциональной зависимостью, вид которой также определяется параметрами течения и свойствами маркера (объем, масса, размеры и форма). Все наблюдаемые картины течения устойчиво воспроизводятся при повторении экспериментов и сохранении условий в пределах точности опытов. 2. Проведены измерения в Онежском озере. Выявлена вертикальная структура поля скорости течения в Петрозаводской губе Онежского озера при наличии струи в термоклине, дрейфового течения, плотностного потока и внутренних волн. Разработана и проверена для разных гидродинамических условий методика теоретического описания профилей скорости течения на двух разрезах этого залива. Получены зависимости концентрации хлорофилла-а в деятельном слое от высоты внутренней волны в периоды с разной освещенностью и от волнового потока взвеси при наличии внутренних волн. 3. В рамках совместной научной работы с Институтом Биологии южных морей г. Севастополя проводилось экспериментальное исследование воздействия струйных метановых выделений в бухтах г. Севастополя на стратифицированные потоки. Была разработана и опробована методика моделирования процесса взаимодействия струйных выделений газа и стратифицированной жидкости. В результате экспериментальных исследований обнаружено, что струйные выделения газа со дна могут влиять на вертикальное распределение температуры и размывают границы термоклина. Опробована методика визуализации и обработки полученных изображений действующих струйных метановых выделений на неглубокой воде. 4. Получена физическая и математическая модель деформации водной поверхности цепочкой вихрей, формирующихся в вязком слое тормозящегося в направлении движения стационарного (в среднем) потока воздуха. Проведен ряд экспериментов, данные которых позволили верифицировать предложенную физическую модель.
15 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: Получена физическая модель генерации ветровых волн на плоской поверхности воды, включающая оценку амплитуды и длины устойчивых волн, возникающих на плоской поверхности для заданного поля ветра. Получены коспектры волн цунами и гравитационных волн в рамках создания метода прогноза параметров и распространения цунами по опережающим предвестникам. Проведены экспериментальные и теоретические исследований динамики и структуры многофазных вихревых течений и характера переноса трех типов маркеров: твердотельных (льда, пластика), несмешивающихся с водой (нефть, масло, дизель) и растворимых (краска, уранил) с целью совершенствования физических, аналитических и численных моделей переноса вещества в океане. С помощью математического моделирования проведены исследования динамики развития течений, термобара и термического состояния пресных глубоких водоемов с разным наклоном берега при разных гидрометеорологических ситуациях.
16 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: Проведено экспериментальное исследование формирования коротких цилиндрических вихрей в вязком слое неоднородного потока воды. Получена физическая модель явления, позволившая провести параметризацию характеристик вихрей в зависимости от основных параметров фонового потока. Создан прототип автоматизированной системы прогноза цунами по оперативным сейсмическим данным. В режиме тестовой эксплуатации система обработала несколько десятков потенциально цунами опасных событий. В работе с помощью математического моделирования получены зависимости между скоростью распространения весеннего термобара в озере и морфометрическими параметрами его дна . Проведены экспериментальные исследования динамики распространения различных примесей в двухфазных вихревых течениях в широком диапазоне физических параметров задачи. Проведено исследование взаимосвязей между климатическими процессами Северной Атлантики и Арктики. Показано, что таяние льда в Арктике в 70-е – 90-е гг. ХХ столетия связано с изменчивостью климата в Северной Атлантике, хорошо отражаемой в индексах Атлантической мультидекадной осцилляции и интенсивности Атлантической меридиональной циркуляции.
17 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: Проанализирована работа автоматической системы «Tsunami Observer» за период 25.01.2018 — 15.07.2019. За это время было выполнено 356 оценок цунамигенности землетрясений (195 уникальных событий по данным двух источников). Для 9 цунами-событий, по которым имелась информация о высотах заплеска, проведено сравнение выполненных оценок с данными натурных наблюдений. Система не переоценила ни одно их тех слабых цунами, по которым отсутствовали данные о заплесках. По отмеченным 9 цунами-событиям сравнение показало, что система «Tsunami Observer» адекватно оценила опасность 8 событий. Исключением явилось цунами на о. Сулавеси, при возбуждении которого, помимо сейсмического толчка, важную роль играли подводные оползни Получен физический механизм формирования крупных гряд на берегах современной Волги, известных как «Бугры Бэра». Показано, что гряды могли возникнуть при воздействии стационарных волн на поверхности мощного потока воды при резком понижении уровня Каспийского моря. Предложен метод восстановления параметров катастрофического стока по форме современных гряд. Показано, что форма гряд точно соответствует параметрам стационарных волн, а объем размытого грунта соответствует объему песка, который мог быть перенесен вихрями, сформированными в вязком слое потока за время стока воды. Используя реальные морфометрические данные рельефа дна Ладожского озера и результаты численных расчетов скорости перемещения весеннего термобара (ТБ) при этих параметрах, построены изолинии расположения температуры 4оС (месторасположения термобара) по поверхности Ладожского озера в период с 15 мая по 15 июля. Сравнение результатов расчетов с данными реальных наблюдений за перемещением ТБ показало их хорошее согласие. Однако увеличение «времени жизни» ТБ на 2 недели при его математическом моделировании весной по сравнению с натурными данными позволяет сделать вывод о необходимости более детального изучении влияние гидрометеорологических условий на формирование и развитие термобара. Проведены и проанализированы многочасовые измерения параметров воды в районе действующих струйных метановых выделений в районе бухты Ласпи (Крым). Проделано лабораторное моделирование выделяющихся пузырьков газа для оптимального определения их резонансной частоты звучания. Проведены измерения вертикальных профилей параметров воды в отделяющихся водоемах Кандалакшского залива По современным данным о температуре и солёности EN4 и WOA2013 для Северной Атлантики выявлены особенности вертикального распределения термохалинных характеристик и их связи с меридиональной циркуляцией в различные фазы Атлантической мультидекадной осцилляции
18 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: Предложен метод восстановления параметров потока воды по форме гряд на размываемой подстилающей поверхности. Проанализирована работа автоматической системы «Tsunami Observer» за период 25.01.2018 — 15.07.2019. Предложен метод проверки калибровки датчиков давления и z-акселерометров, устанавливаемых на дне океане для регистрации землетрясений и цунами. Метод основан на выявленной ранее связи между вариациями придонного давления и z-ускорением, которая наблюдается при сейсмических движениях дна в диапазоне частот «вынужденные колебания». Разработан программный код для расчёта векторного поля квазидинамической деформации дна по данным модели конечных разломов (FFM) с учётом времени вступления и продолжительности действия каждого разлома в очаге землетрясения С помощью математической модели получены зависимости между скоростью распространения весеннего термобара (ТБ) в озере и морфологическими параметрами дна водоема, относительной влажностью воздуха, потоком солнечной радиации. Проведены измерения гидрологических параметров (температуры, солености, содержания растворенного кислорода ) на мелководных газо-выделяющих площадках Крымского побережья, оценены объемы пузырьковой и флюидной разгрузки метана. Показано, что продолжительность нарастания остаточной деформации дна в очаге цунами практически не влияет на возбуждаемую волну, в то время как учет пространственной структуры и динамики вспарывания разрыва в очаге землетрясения позволяет существенно приблизить результаты моделирования к данным наблюдений. Проведены прогностические расчёты состояния Мирового океана и морского льда с 1948 по 2071 с использованием новой версии модели циркуляции океанов и морей INMOM
19 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: По записям 28 донных обсерваторий системы DONET-2 проанализированы проявления 4 удаленных землетрясений, произошедших в 2018-2019 гг. Показано, что взаимная проверки калибровки донных датчиков давления и z-акселерометров возможна с использованием сигналов от сильных (Mw8+) удаленных (55-140 град.) землетрясений. Проведено сравнительное моделирование волн цунами в рамках потенциальной теории сжимаемой жидкости на основе ряда общепринятых моделей очага землетрясения. Показано, что для реальных событий в зависимости от степени детальности модели очага, амплитуды волн могут значительно различаться (на 50% как в большую, так и в меньшую сторону). Распространение пассивной примеси в морской среде происходит за счет процессов адвекции, диффузии и сопровождается физико-химической трансформацией. Эти процессы могут иметь разные пространственно-временные масштабы. Моделирование и физическое, и математическое позволяет рассматривать каждый процесс по отдельности. Практическую значимость имеет определение статистических закономерностей распространения загрязняющих веществ от различных точек моря, от источников, расположенных как на поверхности, так и в водной толще, и на морском дне. С целью выявления таких закономерностей была проведена серия вычислительных экспериментов. Эксперимент заключался в моделировании лагранжевой траектории поплавков нейтральной плавучести, начинающих свое движение из различных точек моря. Расчет траекторий поплавков проводился на срок два месяца в период с 1 мая по 30 октября 2020 г. В результате экспериментов было установлено, что перенос поплавков нейтральной плавучести, начинающих свое движение в юго-западной части Среднего Каспия на глубинах более 100 метров, имеет устойчивое направление распространения в сторону Южного Каспия. Получена экспериментальная зависимость параметров вихрей, возникающих в вязком слое потоков жидкости с положительным продольным градиентом давления, от параметров потока и размера донной шероховатости. Создан и отлажен вычислительный алгоритм, для исследования термогидродинамических процессов в пресных водоемах в период развития осеннего термобара Проведены лабораторные эксперименты для оценки влияния различных типов грунта на акустический сигнал, производимый проходящими через грунт пузырьками газа. Эксперименты показали различия в погрешности при определении размеров пузырьков, выделяющихся из различных подложек, с использованием формулы Миннарта. В зависимости от состава подстилающей поверхности были определены погрешности расчета природных потоков метана из действующих мелководных сипов с использованием пассивного акустического метода. Проведено изучение зонально-осредненных характеристик термохалинной циркуляции, в т.ч. Атлантической меридиональной опрокидывающейся циркуляции (АМОЦ), в Северной Атлантике в фазы роста и падения индекса Атлантической мультидекадной осцилляции (АМО) за последние 70 лет по данным объективных анализов EN4 и WOA13 и реанализов GFDL, ESTOC, ORA-S4 и GECCO2
20 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: Разработан критерий применимости бездисперсионной теории длинных волн для описания диспергирующих волн цунами, создаваемых косейсмическими смещениями дна. Введено понятие дистанции дисперсионного разрушения, обобщающее и уточняющее существовавшие ранее понятия расстояния и времени дисперсионного разрушения. Методом Монте-Карло выявлена количественная связь различий между волновыми формами, рассчитываемыми с учетом и без учета дисперсии, с дистанцией дисперсионного разрушения. Для набора источников сейсмогенных цунами с использованием данных о распределении подвижки выполнены оценки доступной потенциальной энергии начального возвышения водной поверхности в очаге цунами и работы, совершаемой при формировании косейсмических смещений дна. Выявлено, что работа может на несколько порядков превосходить энергию цунами и по абсолютной величине быть сопоставимой с энергией землетрясения Для выяснения роли термохалинных факторов в формирование климатических трендов термохалинной циркуляции в Северной Атлантике (СА) были определены вклады изменений потенциальной температуры и солености в тренды функции тока Атлантической меридиональной опрокидывающейся циркуляции (АМОЦ). Для этого с помощью модели INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model) и данных электронного атласа EN4 (MetOffice, Великобритания) методом диагноза-адаптации восстанавливалась циркуляция СА за характерные периоды 1951–2017 гг., 1951–1990 гг. и 1991–2017 гг. В двух выбранных периодах 1951–2017 гг. и 1951–1990 гг. все основные особенности изменений в АМОЦ объясняются главным образом температурными изменениями, которые превалируют над соленостными. При это наблюдаемый тренд на ослабление основного ядра функции тока АМОЦ с 1991 по 2017 гг., вызывается изменениями солености, а на усиление основного ядра функции тока АМОЦ с 1951 по 1990 гг. вызывается изменениями потенциальной температуры. Обнаружена связь между трендами максимума функции тока АМОЦ на 38.5◦N и разностями между зонально–осредненными уровнями моря на 34.5◦N и 57.5◦N, которые, возможно, могут использоваться в качестве индекса изменчивости функции тока АМОЦ Выполнено исследование процессов водообмена в Каспийском море моделированием 3-D траекторий частиц-трассеров, имитирующих движение поплавка нейтральной плавучести. В результате вычислительного эксперимента получены оценки скорости подъема воды в области апвеллинга у восточного берега Среднего Каспия. Результаты моделирования траекторий частиц-трассеров на границе Среднего и Южного Каспия показали переток водных масс с западного склона котловины Среднего Каспия с горизонтов выше 230 метров через Апшеронский порог с последующим опусканием на более глубокие горизонты. Рассмотрена одна из фундаментальных проблем теории генерации ветровых волн – существование разброса значений критической скорости ветра (1 – 3 м•с-1), при которой возникают устойчивые ветровые волны, крутизна которых растет вдоль разгона. Экспериментально показано, что одной из причин разброса значений критической скорости ветра, является наличие пленки примесей малой концентрации на поверхности воды. На основе полученных натурных данных исследована суточная динамика гидрологических параметров воды и растворённых газов (CH4, O2) в прибрежной мелководной зоне Черного моря, проанализированы сезонные и суточные закономерности содержания и потоков метана в эстуарии реки Черная (Крым). Получены вертикальные распределения O2 и СН4 на полигоне в Кандалакшском заливе Белого моря. Проведена оценка влияния подстилающей поверхности на результаты измерений пузырькового потока метана при помощи пассивного акустического метода. Разработана методика комплексных полевых измерений газовых потоков из метановых сипов и гидрологических параметров водной среды. С учетом опыта применения пассивного акустического метода для оценки потока метана из подводного источника разработана задача для специального практикума кафедры (опубликовано методическое пособие). Проведены экспедиционные измерения течений в Черной губе Кандалакшского залива Белого моря в весенний и летний периоды. Получены данные о скоростях и направлениях течений, а также о вертикальных распределениях гидрологических параметров по сетке станций указанного полигона. Проведены измерения вертикальных профилей параметров воды в озерах полуострова Киндо (Кандалакшский заповедник). На Кисло-Сладком озере обнаружен заглубленный максимум температуры, который находился на глубине от поверхности 1 м. Разница с поверхностной температурой составляла 5 °С С помощью созданного вычислительного алгоритма исследовались условия возникновения, скорости перемещения и времена существования осеннего термобара (ТБ) в зависимости от теплового состояния водоема. Выявлено неравномерное распространение ТБ по мере охлаждения водоема при всех заданных значениях температуры атмосферы. Выявлено две фазы его развития (медленная и быстрая) и дано физическое объяснение существования этих фаз. Установлена связь между скоростью перемещения ТБ и температурой атмосферы. Выявлен эффект расхождения между зоной опускания вихрей и месторасположением изотермы 4°C на поверхности водоема, что не соответствует классическому представлению о термобаре
21 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа: В качестве количественного критерия применимости бездисперсионной теории длинных волн для воспроизведения диспергирующих волн цунами предложена к использованию дистанция дисперсионного разрушения, – величина, которая однозначно определяется длиной волны, доминирующей в спектре начального возвышения водной поверхности в очаге цунами, и корректирующим коэффициентом A. Физический смысл величины A – доля длины волны, на которую диспергирующий волновой пакет отстанет от фронта длинной волны, при распространении на расстояние, равное дистанции дисперсионного разрушения. С использованием модельного остаточного смещения поверхности дна, методом Монте-Карло установлена связь между точностью воспроизведения волн бездисперсионной моделью и величиной A. С использованием «шкалы коэффициента A» выполнено ранжирование критериев, которые были предложены ранее другими авторами. В вычислительный алгоритм, моделирующий осенний термобар (ТБ), был добавлен блок, позволяющий оценить влияние ветра на развитие термобара. Расчеты проводились в половине моделируемого водоема с наклонным правым берегом. Основное внимание уделялось исследованию влияния ветра, направленного к берегу, на термогидродинамические процессы в озере. Показано, что в этом случае, независимо от месторасположения ТБ в момент начала его воздействия на водоем ветер подавляет прибрежный вихрь, возникающий справа от ТБ. Со временем водоем охватывает единая глубинная циркуляция, переносящая теплые воды из центра озера к берегу, что замедляет остывание водоема. Исследовано влияние пленки естественной пыли, осажденной из воздуха, на генерацию гравитационно-капиллярных ветровых волн длиной λ<0.06 м. Показано, что при увеличении времени осаждения гидрофобных частиц пыли на водную поверхность контактный угол смачивания между поверхностью воды и гидрофобной частицей возрастает, что свидетельствует об увеличении коэффициента поверхностного натяжения. При этом время сближения гидрофобных частиц увеличивается. Обнаружено, что при увеличении концентрации пленки для заданной скорости ветра длина ветровой волны в зоне генерации уменьшается, а крутизна растет, что связано с увеличением шероховатости и коэффициента трения на границе раздела. Получено, что над действующей площадкой сипов в заливе Ласпи (Крым) наблюдается пониженное содержание растворенного кислорода и его насыщенности по сравнению с удаленной (фоновой) площадкой. Отмечены моменты резкого снижения содержания кислорода, не сопровождающиеся изменением температуры. По результатам измерений в Черной губе Белого моря было обнаружено, что значения придонных скоростей (0,5 м от дна) находятся в диапазоне 0,01–0,16 м/с., что в целом совпадает с теоретически рассчитанными скоростями для придонного гравитационного потока, лежащего ниже термоклина. Максимальные значения скоростей придонного течения чаще приходятся на точки, где глубина превышает 30 м. Проведено сравнение теоретически рассчитанной дрейфовой скорости и полученной в результате измерений при значительном влиянии приливных явлений. Оценены скорости приливных течений, исследованы направления распространения поверхностных и придонных течений для разных фаз приливного цикла. Проведение экспедиционных исследований содержания растворенных газов (О2, СН4) и оценка их потоков в прибрежной области Белого моря (Кандалакшский залив). Продолжение экспедиционных измерений течений и гидрологических параметров в Черной губе Кандалакшского залива Белого моря. Проведение экспедиционных исследований параметров потока пузырькового газа из метановых сипов пассивным акустическим методом в прибрежных районах Черного моря в сочетании с визуальным и ловушечным методами, оценка суточных вариаций параметров потока. Проведение суточных измерений гидрологических параметров в районе действующего метанового сипа. Измерения вертикальных профилей воды при различных метеоусловиях в озерах полуострова Киндо (Кандалакшский заповедник). Адаптация модели LAKE для прогнозирования заглубленного максимума температуры в Кисло-Сладком озере".
22 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа:
23 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование определяющих физических процессов в гидрофизике
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".