Новое исследование Института водных проблем РАН поможет надежно проектировать порты и приливные электростанции
17 июня 2022 г.
Российские исследователи обнаружили феномен отрицательной турбулентной вязкости в приливных устьях рек бассейна Белого моря. Исследование причин и механизма этого явления можно будет учитывать при строительстве портов и приливных электростанций, что повысит их надежность. Кроме того, в будущем полученные данные, возможно, пригодятся для корректировки в нужном направлении или даже управления такими крупными вихревыми образованиями, как ринги (гигантские вихри) Гольфстрима.
Изучением парадоксов динамики водных потоков, периодически меняющих направление на обратное (реверсивных), в приливных устьях рек европейской части российского Севера занимается научная группа под руководством Андрея Алабяна, ведущего научного сотрудника лаборатории гидродинамики Института водных проблем РАН, совместно с коллегами из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Научных конкурентов в подобных исследованиях у ученых пока нет.
Детальные гидрометрические измерения ученые провели в приливных устьях рек Беломорского бассейна: Северной Двины, Онеги, Мезени и ряда малых рек: Кянды, Тамицы, Сёмжи, Лаи. Изначально целью исследователей был сбор данных для гидродинамического моделирования, но при обработке и анализе результатов этих измерений ученые обнаружили парадоксальное, на первый взгляд, явление – отрицательное гидравлическое сопротивление.
Как отмечает Андрей Алабян, морская вода, поступая в прилив и продвигаясь вверх по руслу реки, сталкивается с речным потоком и при этом не останавливается, а «закручивается», формируя причудливую систему разномасштабных вихрей. В начале отлива вода скатывается обратно в море, при этом вихри разрушаются, а скорость течения увеличивается при практически горизонтальной водной поверхности.
Отрицательную вязкость обычно находили в экзотических средах типа межзвездных туманностей, атмосфер Солнца и Юпитера и т.п. Ученым же, возможно, удалось ее обнаружить в приливных устьях вполне земных рек.
Исследуемое сопротивление регистрировалось там, где из-за приливных колебаний уровня моря на приустьевом участке реки происходило обратное движение водных масс.
Исследователи предположили, что феномен вызван преобладанием отрицательной турбулентной вязкости, то есть энергия вихревых движений подпитывает поступательное движение воды. Это происходит после наступления полной воды (так называют максимум прилива), когда скорость отливного течения увеличивается по всему устьевому участку реки при практически горизонтальной водной поверхности.
Исследование причин и механизма появления отрицательной вязкости в приливных устьях рек пригодится при проектировании приливных электростанций и портов для оценки гидравлических сопротивлений. Также новые данные будут нужны для уточнения параметров математических моделей расчета неустановившегося течения воды в естественных руслах. Разработка практических приемов воздействия на турбулентные потоки и использования энергии турбулентности в долгосрочной перспективе также не обойдется без полученных учеными данных.
«Отрицательная вязкость – это, к сожалению, не столь полезный феномен, как сверхпроводимость или сверхтекучесть, а всего лишь причуда параметризации некоторых гидродинамических процессов, природа которых еще не до конца изучена», – считает руководитель работ Андрей Алабян.
В то же время, как отметил ученый, правильное задание параметров гидравлического сопротивления и турбулентной вязкости – это важнейшее условие корректного моделирования приливных течений. Они необходимы для энергетического, рекреационного и водно-транспортного использования устьевых областей рек России.
«Кроме того, приливные устья представляют собой уникальную природную лабораторию для исследования взаимодействия вихревых и поступательных движений водных масс не только в реках, но и в Мировом океане. А ведь возможность управления крупными вихревыми образованиями (такими как ринги Гольфстрима) для «выстраивания» океанических течений или хотя бы их корректировки в нужном направлении пока кажется фантастикой», – добавил Андрей Алабян.
Предварительные результаты работ были опубликованы в отечественных журналах «Инженерные изыскания» и «Вестник Московского университета», а также в международном журнале MetodsX. Работы прошли в рамках проекта Российского научного фонда «Исследование отрицательной турбулентной вязкости в приливных устьях рек».
Ссылка на статью в MethodsX: https://doi.org/10.1016/j.mex.2022.101669
Источник: пресс-служба Минобрнауки России