Институт Океанологии РАН
Физика океана, морская геология, морская биология, морская техника
English | Russian
Главная arrow Лаборатории физического направления arrow Лаборатория нелинейных волновых процессов
Лаборатория нелинейных волновых процессов Печать E-mail
Заведующий Лабораторией - д.ф-м.н. Бадулин Сергей Ильич

С момента создания в 1985 году до 2013 года Лабораторией руководил академик Владимир Евгеньевич Захаров.

Основными задачами лаборатории являются теоретические исследования основных физических механизмов, определяющих пространственно-временную изменчивость волновых полей (поверхностных, внутренних, капиллярных) в океане и прибрежной зоне.

К числу задач Лаборатории относятся:

  • создание физически обоснованной картины нелинейной эволюции волновых полей и математических методов её описания;
  • развитие теоретических методов динамики поверхностных волн в контексте задач дистанционного зондирования морской поверхности и разработка на этой основе перспективных численных и экспериментальных методов мониторинга морской поверхности;
  • исследование закономерностей формирования и разрушения когерентных вихревых структур - внутритермоклинных вихрей при их взаимодействии с рельефом дна.

За последние годы в Лаборатории были получены новые результаты в теории ветрового волнения, позволяющие в перспективе добиться существенного улучшения прогноза ветрового волнения в Мировом океане. Показано, что рост ветрового волнения принципиальным образом связан с физическими механизмами слаботурбулентных прямого (в короткие волны) и обратного (в длинные волны) каскадов. Классические результаты В.Е. Захарова по теории слабой турбулентности были отмечены в 2003 году медалью Дирака по теоретической физике (см. фото вверху).

увеличить

В 2007 году теория получила блестящее количественное подтверждение в работе сотрудников Лаборатории при анализе экспериментальных зависимостей роста ветрового волнения, собранных за более чем 50 лет экспериментов в море.

Оказалось, что многообразие этих зависимостей для высоты и среднего периода растущего волнения (см. рисунок) описывает связь между уровнем волнения и интегральной накачкой волнения ветром. Отмечена аналогия этого процесса с поведением сильной гидродинамической турбулентности.

увеличить


Масштабные численные исследования экстремальных морских волн-убийц позволили смоделировать поведение таких волн вплоть до момента обрушения (сравните профиль численного решения и профиль волны с картины Хокусаи, приведенные на рисунке). В численных экспериментах удалось смоделировать одиночные экстремальные волны, подобные знаменитой Новогодней волне на платформе Draupner в Северном море 1 января 1995 года.

увеличить

Учёт особенностей нелинейной динамики поверхностных волн на сдвиговом течении позволил создать уникальную экспериментальную методику мониторинга сдвига течений в приповерхностном слое моря (совместно с коллегами Университета Тулон и Вар, Франция).

С помощью однолучевого допплеровского радара удалось измерять сдвиг течения вверхнем метровом слое. Пример распределения скоростей в прибрежной зоне устья реки Рона показан на рисунке.

увеличить

Лаборатория участвует в программе Президиума РАН «Фундаментальные проблемы нелинейной динамики», ее работы поддерживаются грантами Российского фонда фундаментальных исследований, фонда Европейского фонда INTAS, National Science Foundation (США), других национальных и международных агенств.

Лаборатория сотрудничает с ведущими научными центрами в США, Великобритании, Франции. 

Основные результаты исследований, полученные в Лаборатории за последние годы:

Теоретически и численно исследована сильно нелинейная стадия модуляционной неустойчивости поверхностных волн. Показано, что этот механизм может быть причиной возникновения волн экстремальной амплитуды (волны убийцы). (Лаб. нелинейных волновых процессов, рук. – акад. Захаров В.Е., к.н. Бадулин С.И.)

Сформулирован закон автомодельного роста ветровых волн. Это позволило установить физические значимые количественные критерии построения функций источников и стоков в прогностических моделях ветрового волнения. (Лаб. нелинейных волновых процессов, рук. – акад. Захаров В.Е.).

В результате исследований, проведенных в рамках темы «Изучение динамических и статистических свойств ветровых волн в контексте задач взаимодействия океана и атмосферы показана квазиуниверсальность спектральных распределений ветровых волн в широком диапазоне физических условий генерации и диссипации для случая пространственно-однородного роста волн. Относительно малые отклонения от некоторого универсального распределения связаны, главным образом, с отклонениями от асимптотического автомодельного поведения спектров растущих волн. Наличие неавтомодельной составляющей волнового поля может существенно влиять на интегральные характеристики волнового поля (полная энергия, средняя частота). В этих условиях, частота и амплитуда спектрального пика более точно описывают поведение энергосодержащей частоты спектра. (Лаб. нелинейных волновых процессов, зав.лаб. – акад. Захаров В.Е.).

Рассмотрена эволюция слабонелинейных возмущений в стратифицированных сдвиговых течениях при наличии линейной неустойчивости. Развит обобщенный гамильтонов подход для двумерных течений. Рассмотрены два различных класса сдвиговых течений. Первый класс представляет собой классическую кусочно-линейную модель с постоянной плотностью и завихренностью в каждом слое. Для таких течений линейная неустойчивость возникает из-за слабого взаимодействия различных мод. Второй класс – модель Кельвина-Гельмгольца, состоящая из двух слоев с разной плотностью и скоростью течения, со слабой закритичностью сдвига. Продемонстрирована возможность стабилизации роста линейно неустойчивой волны вследствие резонансных взаимодействий с устойчивыми волнами. (Лаб. нелинейных волновых процессов, зав.лаб. – акад. Захаров В.Е.).

Завершена серия численных экспериментов по моделированию ветрового волнения в рамках кинетического уравнения для поверхностных волн. Использовались различные параметризации ветровой накачки и диссипации волн. Показано, что:

  • Характер развития волновых спектров качество не зависит от типа накачки. Установление формы и углового распределения спектра ветрового волнения происходит достаточно быстро (в течение нескольких часов);
  • Численные решения близки к теоретически полученным приближенным автомодельным решениям кинетического уравнения для поверхностных волн;
  • Поведение интегральных характеристик волновых спектров (энергии, средней частоты) согласуется с имеющимися экспериментальными данными, а формы спектров близки к параметризации спектров JONSWAP.

(Руководитель работ - зав.лаб., академик В.Е. Захаров, отв.исп. С.И. Бадулин, В.В. Геогджаев).

Проведены численные исследования решений кинематического уравнения, отвечающие широкому диапазону начальных условий параметров ветровой накачки и диссипации. Показано, что нелинейный перенос является главным физическим механизмом, отвечающим за эволюцию спектров ветровых волн. Численные эксперименты также показали, что в указанных диапазонах решения весьма быстро стремятся к автомодельным асимптотикам. Свойства автомодельности позволяют предсказать поведение ядра решения с достаточно высокой точностью. Этот результат представляется чрезвычайно важным для моделей волнового прогноза. (Руководитель работ - зав.лаб., акад. Захаров В.Е.).

Проведено численное моделирование нелинейной эволюции статистических характеристик случайных волновых полей. Использовался алгоритм, основанный на интегродифференциальном уравнении Захарова для волн на поверхности жидкости, позволяющий выполнять численное исследование эволюции на временах порядка 105 - 106 характерных волновых периодов. Детально проанализирована эволюция ансамблей гравитационных волн, состоящих из конечного числа локализованных волновых пакетов, и проведено сравнение результатов с численными решениями кинетического уравнения для волн на воде. Показано, что эффективным способом представления волновых пакетов являются "кластеры", образованные из небольшого числа дискретных гармоник, причем, в определенных пределах, ни размеры кластера, ни число составляющих его гармоник не сказываются на эволюции статистических характеристик волнового поля. (Руководитель работ - зав.лаб., акад. Захаров В.Е.).

 
См.также по теме
Нет публикаций по теме
Российская академия наук
Почтовая система Ocean Институт Океанологии РАН Проект OceanDB