Неустойчивость Кельвина – Гельмгольца.

Неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (после того, как Лорд Кельвин и Германа фон Гельмгольца ) , как правило , происходит , когда есть сдвиг скорости в одной непрерывной жидкости или дополнительно , где есть разность скоростей на границе раздела между двумя жидкостями . Типичный пример - когда ветер дует над водной поверхностью; постоянная неустойчивости проявляется в виде волн . Неустойчивости Кельвина-Гельмгольца также видны в атмосферах планет и лун, например, в облачных образованиях на Земле или в Красном пятне на Юпитере , а также в атмосферах (coronas ) звезд, включая солнечную . [1]

"> Файл: Kelvin-Helmholtz Instability.ogvВоспроизвести медиа
Численное моделирование временной неустойчивости Кельвина – Гельмгольца.
Пространственно развивающаяся 2D неустойчивость Кельвина-Гельмгольца при малых числах Рейнольдса . Небольшие возмущения, накладываемые на входе на тангенциальную скорость, развиваются в вычислительном ящике. Высокое число Рейнольдса будет отмечено увеличением мелкомасштабных движений.

Нестабильность KH, видимая облаками, известная как флуктуус , [2] над горой Дюваль в Австралии.
Неустойчивость KH на планете Сатурн, образовавшаяся при взаимодействии двух полос атмосферы планеты.
Волны Кельвина-Гельмгольца на глубине 500 м в Атлантическом океане
Анимация нестабильности КГ с использованием 2D конечно-объемной схемы второго порядка

Теория предсказывает возникновение нестабильности и переход к турбулентному течению в жидкостях разной плотности, движущихся с разными скоростями. [3] Гельмгольц изучал динамику двух жидкостей разной плотности, когда небольшое возмущение, такое как волна, было введено на границе, соединяющей жидкости. Таким образом, неустойчивость Кельвина – Гельмгольца можно охарактеризовать как неустойчивые мелкомасштабные движения, происходящие в вертикальном и латеральном направлении. Иногда мелкомасштабные нестабильности можно ограничить наличием границы. Границы очевидны в вертикальном направлении через верхнюю и нижнюю границы. Верхнюю границу можно рассматривать на примерах как свободную поверхность океана, а нижнюю границу как волну, разбивающуюся о берег. [4] В латеральном масштабе диффузия и вязкость являются главными факторами рассмотрения, поскольку оба влияют на мелкомасштабные нестабильности. Используя вышеупомянутое определение неустойчивости Кельвина – Гельмгольца, различие между неустойчивостью Кельвина – Гельмгольца и мелкомасштабной турбулентностью может быть затруднено. Хотя эти два явления неотделимы друг от друга, Кельвин-Гельмгольц рассматривается как двухмерное явление по сравнению с турбулентностью, происходящей в трех измерениях. [4]

В случае короткой длины волны, если не учитывать поверхностное натяжение, две жидкости, движущиеся параллельно с разными скоростями и плотностями, образуют границу раздела, которая нестабильна для всех скоростей. Однако поверхностное натяжение способно стабилизировать коротковолновую нестабильность и предсказывать стабильность до тех пор, пока не будет достигнут порог скорости. Теория линейной устойчивости, включая поверхностное натяжение, в общих чертах предсказывает начало формирования волн, а также переход к турбулентности в важном случае ветра над водой. [5]

Недавно было обнаружено, что уравнения жидкости, управляющие линейной динамикой системы, допускают симметрию с четностью и временем , а неустойчивость Кельвина – Гельмгольца возникает тогда и только тогда, когда симметрия с четностью времени спонтанно нарушается. [6]

Для непрерывно изменяющегося распределения плотности и скорости (с более легкими слоями вверху, так что жидкость RT-устойчива ), динамика неустойчивости Кельвина-Гельмгольца описывается уравнением Тейлора-Гольдштейна и его начало дается числом Ричардсона . [4] Обычно слой нестабилен для. Эти эффекты распространены в облачных слоях. Изучение этой неустойчивости применяется в физике плазмы, например , в инерциальном термоядерном синтезе и плазмы - бериллиевой интерфейсе. Иногда ситуацию, в которой в состоянии статической стабильности, очевидной для более тяжелых жидкостей, находящихся ниже, чем нижняя жидкость, можно пренебречь неустойчивостью Рэлея-Тейлора, поскольку нестабильность Кельвина-Гельмгольца является достаточной при данных условиях.

Понятно, что в случае мелкомасштабной турбулентности увеличение числа Рейнольдса, , соответствует увеличению мелкомасштабных движений. Введение числа Рейнольдса сравнимо с введением меры вязкости для отношения, которое ранее определялось как сдвиг скорости и нестабильность. Что касается вязкости, высокое число Рейнольдса обозначается низкой вязкостью. По сути, высокое число Рейнольдса приводит к увеличению мелкомасштабного движения. Считается, что эта идея соответствует природе неустойчивости Кельвина – Гельмгольца. [7] Показано, что при увеличении числа Рейнольдса в случае неустойчивости Кельвина – Гельмгольца начальные крупномасштабные структуры неустойчивости все еще сохраняются в форме сверхзвуковых форм. [8]

Численно неустойчивость Кельвина – Гельмгольца моделируется во временном или пространственном подходе. При временном подходе экспериментаторы рассматривают течение в периодическом (циклическом) ящике, «движущееся» со средней скоростью (абсолютная неустойчивость). При пространственном подходе экспериментаторы моделируют лабораторный эксперимент с естественными условиями на входе и выходе (конвективная неустойчивость).

Явление неустойчивости Кельвина – Гельмгольца - это всеобъемлющее явление потока жидкости, которое снова и снова наблюдается в природе. От волн океана до облаков в небе, нестабильность Кельвина – Гельмгольца ответственна за некоторые из самых основных структур природы. Дальнейший анализ и моделирование нестабильности Кельвина – Гельмгольца может привести к пониманию природных явлений в мире и многому другому.

  1. ^ Фокс, Карен С. "Обсерватория солнечной динамики НАСА ловит" серфера "волны на Солнце" . НАСА-Солнце-Земля: гелиофизика . НАСА.
  2. ^ Сазерленд, Скотт (23 марта 2017 г.). «Атлас облаков переходит в 21 век с 12 новыми типами облаков» . Сеть погоды . Пельморекс Медиа . Проверено 24 марта 2017 года .
  3. ^ Дразин, П.Г. (2003). Энциклопедия атмосферных наук . Elsevier Ltd., стр. 1068–1072. DOI : 10.1016 / B978-0-12-382225-3.00190-0 .
  4. ^ а б в Грамер, Лью; Gramer @ noaa, Лью; Правительство (27 мая 2007 г.). «Неустойчивости Кельвина-Гельмгольца» . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  5. ^ FUNADA, T .; ДЖОЗЕФ, Д. (2001-10-25). "Анализ вязкого потенциального течения неустойчивости Кельвина – Гельмгольца в канале" . Журнал гидромеханики . 445 : 263–283. DOI : 10.1017 / S0022112001005572 .
  6. ^ Цинь, H .; и другие. (2019). «Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца является результатом нарушения симметрии четности времени». Физика плазмы . 26 (3): 032102. arXiv : 1810.11460 . Bibcode : 2019PhPl ... 26c2102Q . DOI : 10.1063 / 1.5088498 . S2CID  53658729 .
  7. ^ Йылмаз, İ; Дэвидсон, L; Эдис, ФО; Сайгин, Х (2011-12-22). «Численное моделирование неустойчивости Кельвина-Гельмгольца с использованием неявного, недиссипативного алгоритма DNS» . Журнал физики: Серия конференций . 318 (3): 032024. DOI : 10,1088 / 1742-6596 / 318/3/032024 . ISSN  1742-6596 .
  8. ^ «Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 27 апреля 2020 .

  • Лорд Кельвин (Уильям Томсон) (1871). «Гидрокинетические решения и наблюдения». Философский журнал . 42 : 362–377.
  • Герман фон Гельмгольц (1868). «Über discontinuierliche Flüssigkeits-Bewegungen [О прерывистых движениях жидкостей]». Monatsberichte der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin . 23 : 215–228.
  • Статья, описывающая открытие волн KH в глубоком океане: Броуд, Уильям Дж. (19 апреля 2010 г.). «В глубоком море волны с знакомым завитком» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 23 апреля 2010 года .

  • Hwang, K.-J .; Гольдштейн; Кузнецова; Ванга; Виньяс; Сибек (2012). «Первое наблюдение на месте волн Кельвина-Гельмгольца на высокоширотной магнитопаузе в условиях сильного восходящего межпланетного магнитного поля». J. Geophys. Res . 117 (A08233): н / д. Bibcode : 2012JGRA..117.8233H . DOI : 10.1029 / 2011JA017256 . ЛВП : 2060/20140009615 .
  • Гигантские облака в форме цунами катятся по небу Алабамы - Натали Вулчовер, Livescience через Yahoo.com
  • Облако цунами обрушилось на береговую линию Флориды
  • Формирование вихря в свободной струе - видео на YouTube, показывающее волны Кельвина-Гельмгольца на краю свободной струи, визуализированные в научном эксперименте.
  • Волновые облака над Крайстчерч-Сити
  • Облака Кельвина-Гельмгольца в Бармуте, Гвинед, 18 февраля 2017 г.