Все выпуски

Мы исследуем эволюцию осесимметричного двухслойного медленного течения вязкой жидкости со свободной границей, которое создается начальным рельефом границ слоев и скоростями на нижней границе. Каждый слой имеет постоянную плотность и вязкость. Предполагается, что верхний слой имеет меньшую плотность, чем нижний. На основе уравнений Рейнольдса построена система нелинейных параболических уравнений относительно поверхности и границы раздела слоев для описания этого течения. Принимая безразмерный скачок плотностей между слоями как малый параметр, мы применяем метод асимптотических разложений, чтобы выделить главное приближение для медленной эволюции уравнений движения на больших временах. Получено асимптотическое уравнение, связывающее смещения поверхности и границы раздела слоев со скоростями на нижней границе. На основе этого уравнения разработан алгоритм для расчета полей скоростей в слоях на больших временах. Для наглядного представления течения используются линии тока. Численные результаты показали устойчивость линий тока в верхнем слое при вариации скорости на нижней границе. В качестве геофизических приложений разработанный алгоритм используется для количественной оценки поля скоростей в коре под крупномасштабными кольцевыми структурами на Луне (верхний слой), создаваемого глубинными движениями в подстилающей мантии (нижний слой). Чтобы подтвердить достоверность результатов моделирования, мы сопоставляем рассчитанные поля скоростей с системами хребтов кольцевых структур, полученных из экспериментальных наблюдений. Модельное сравнение показало пространственную близость радиусов кольцевых хребтов и особых точек скорости течения на поверхности.

We study the long-time evolution of axisymmetric free-surface two-layered creeping flow subject to the initial topography of its boundaries and bottom velocities. Each layer has uniform density and viscosity. The upper layer is assumed to have a smaller density than the lower layer. Based on lubrication approximation (the Reynolds equations) the nonlinear system of diffusion-type equations with respect to the surface and interface between the layers is obtained to describe this flow. Taking the dimensionless density contrast between the layers as a small parameter, we apply the method of asymptotic expansions to extract leading-term approximation for the slowly varying large-time evolution of the governing equations. An asymptotic equation relating both surface and interface displacement to the bottom velocities is derived. Based on this equation, we develop the algorithm to calculate velocity fields within layers for large time. Streamlines are used to visualize the flow. Numerical results reveal stability of the streamlines in the upper layer under variation of the bottom velocity. As geophysical applications, the developed algorithm is used to evaluate the velocity field in the crust (the upper layer) beneath the large-scale lunar multi-ring basins influenced by deep movements in the underlying mantle (the lower layer). To validate the results of modeling, we compare the calculated velocity fields with basin ridge systems obtained by experimental observations. The model comparison has shown proximity of radii of basin rings and critical points of the surface velocity.

Рассмотрены фигуры равновесия и исследована устойчивость жидкого самогравитирующего эллиптического цилиндра с внутренним течением в классе эллиптических возмущений. Построена бифуркационная диаграмма данной системы, указаны условия существования стационарных решений.

Figures of equilibrium are considered and the stability of liquid self-gravitating elliptic cylinder with an internal flow in a class of elliptic indignations are researched. The bifurcation diagram of given system is constructed, areas of existence of the stationary solutions are specified.

Описаны результаты линейного анализа устойчивости плоскопараллельного течения несжимаемой жидкости над слоем насыщенной пористой среды при различных значениях ее пористости. Рассматривается ограниченная двухслойная система, состоящая из слоя однородной недеформируемой пористой среды конечной толщины и слоя несжимаемой однородной жидкости над ним. Пористый слой ограничен снизу твердой стенкой, верхняя граница жидкости рассматривается как свободная, но недеформируемая. Выполнен анализ линейной устойчивости стационарного течения в такой системе в условиях существования бимодальной нейтральной кривой и варьировании пористости нижнего слоя. Продемонстрирован переход между двумя основными модами неустойчивости: длинноволновой, связанной с точками перегиба в профиле течения, и коротковолновой, обусловленной большим поперечным градиентом скорости течения вблизи границы раздела жидкости и пористой среды. Уменьшение пористости влечет стабилизацию длинноволновых возмущений без существенного изменения критического волнового числа. Коротковолновые возмущения при этом дестабилизируются, а их критическое волновое меняется в широких пределах. При значении пористости меньше 0.7 инерционные слагаемые в уравнении фильтрации и величина механических напряжений на границе раздела возрастают настолько, что доминирующим механизмом развития неустойчивости становится аналог неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. В узком интервале пористости реализуется полоса устойчивости течения, разделяющая ветви нейтральной кривой.

The stability of incompressible fluid plane-parallel flow over a layer of a saturated porous medium is studied. The results of a linear stability analysis are described at different porosity values. The considered system is bounded by solid wall from the porous layer bottom. Top fluid surface is free and rigid. A linear stability analysis of plane-parallel stationary flow is presented. It is realized for parameter area where the neutral stability curves are bimodal. The porosity variation effect on flow stability is considered. It is shown that there is a transition between two main instability modes: long-wave and short-wave. The long-wave instability mechanism is determined by inflection points within the velocity profile. The short-wave instability is due to the large transverse gradient of flow velocity near the interface between liquid and porous medium. Porosity decrease stabilizes the long wave perturbations without significant shift of the critical wavenumber. Simultaneously, the short-wave perturbations destabilize, and their critical wavenumber changes in wide range. When the porosity is less than 0.7, the inertial terms in filtration equation and magnitude of the viscous stress near the interface increase to such an extent that the Kelvin-Helmholtz analogue of instability becomes the dominant mechanism for instability development. The stability band realizes in narrow porosity area. It separates the two branches of the neutral curve.

Рассматривается двухслойная система, состоящая из слоя пористой среды конечной толщины и слоя однородной жидкости над ним. Пористый слой ограничен снизу твердой стенкой, верхняя граница жидкости рассматривается как недеформируемая. Исследуется влияние процесса вымывания растворенной примеси, содержащейся в жидкости, заполняющей слой пористой среды, на устойчивость стационарного плоскопараллельного течения однородной жидкости над ним. Пористая среда описывается моделью Бринкмана с условиями Ошоа-Тапия-Уитейкера на границе раздела потоков. Получено точное и приближенное решение для профиля концентрации примеси. В приближении «замороженного» распределения концентрации найден квазистационарный профиль скорости течения в системе. Проведено численное исследование линейной задачи устойчивости течения в широком диапазоне различных параметров задачи. При достижении достаточной скорости течения в системе развиваются колебательные возмущения, приводящие к развитию бегущих волн на границе раздела. Показано, что учет конвективного и диффузионного транспорта примеси практически не оказывает влияния на структуру нейтральных кривых и критические числа Рейнольдса.

A two-layer system consisting of a porous layer of finite thickness and a uniform fluid layer on top is considered. A rigid wall bounds the porous layer from below, while the upper fluid surface is assumed to be undeformable. We study the process of admixture extraction from the porous layer and its influence on the stability of the stationary plane-parallel flow above it. We describe a porous layer using a Brinkman model with interface boundary conditions by Ochoa-Tapia-Whitaker. We obtain an exact and an approximate solution for the concentration profile. The quasistationary velocity profile is obtained using “frozen” concentration distribution. We solve a linear stability problem for the plane-parallel stationary flow in a wide range of system parameters. Oscillatory instability evolved in the system at the sufficient flow velocity corresponds to traveling waves near the interface. We show that the convective and diffusion transport practically does not affect the structure of neutral stability curves and Reynolds numbers.

Рассматривается нестационарное движение жидкой бинарной смеси в узком протяженном горизонтальном канале с твердыми стенками, нагревающимися по определенному закону. Используется возможность применения решения Остроумова-Бириха к описанию исследуемого течения, что сводит задачу к решению смешанной краевой задачи для системы параболических уравнений. Особенностью задачи является дополнительное к граничным интегральное условие на расход жидкости, позволяющее вместе с функциями скорости, температуры и концентрации находить горизонтальный градиент давления. Посредством построенной численной процедуры решения поставленной задачи проводится анализ полученных характеристик движения при использовании в качестве смеси водного спиртового раствора. Показаны возможности стабилизации нестационарного течения и управления движением посредством периодически меняющейся тепловой нагрузки на стенке канала.

Nonstationary motion of a liquid binary mixture in a narrow long horizontal channel with rigid walls heated according to a certain law is considered. The possibility of applying the Ostroumov-Birikh solution to the description of the flow under study is used. It reduces the problem to solving a mixed boundary value problem for a system of parabolic equations. A feature of the problem is an additional integral condition on the fluid flow rate. It allows finding the pressure gradient together with the functions of velocity, temperature, and concentration. Applying the constructed numerical procedure, the analysis of the obtained characteristics of motion is carried out using water-ethanol solution as a mixture. The possibilities of stabilizing the unsteady flow and controlling the motion by means of a periodically changing thermal load on the channel wall are shown.

Представлена методика моделирования турбулентного течения вязкого газа, основанная на схеме высокого порядка аппроксимации WENO (взвешенная существенно неосциллирующая схема). Данная схема характеризуется значительной устойчивостью при выполнении расчетов, так как WENO позволяет устранять нефизичные осцилляции численного решения, которые могут возникнуть в ходе вычислений. Приведена система определяющих уравнений, описывающая поток вязкого газа, основанная на системе уравнений Навье-Стокса. Разработаны и реализованы алгоритмы 3-го и 5-го порядков точности. Приведено описание численных методик использованных в расчетах потока газа. Моделирование турбулентности производилось с применением метода крупных вихрей. Предложенные алгоритмы были использованы для исследования течения вязкого газа в канале с обратным уступом. Число Рейнольдса потока газа в канале составляло Re=15000. Проведено сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными.

The technique of viscous gas turbulent flow simulation based on high-order approximation WENO scheme (Weighted Essentially Non-oscillatory scheme) is described. This scheme is characterized by significant stability when calculations are performed, because WENO allows to eliminate nonphysical oscillations of a numerical solution which can occur during calculations. The system of governing equations describing the flow of viscous gas based on the Navier-Stokes equations is presented. The algorithms of 3-rd and 5-th accuracy orders are developed and implemented. The numerical methods used in the calculations of gas flow are described. Turbulence modeling is carried out using the method of large vortices. The proposed algorithms have been used to study the flow of viscous gas in a channel with backward-facing step. Reynolds number of the flow in the channel was Re=15000. Comparison of simulation results with experimental data has been made.