Макротурбулентные структуры в крупномасштабных потоках жидкости
    П.В.Полуян
    
    Известна стационарная ячеистая конвекция, которая устанавливается в жидкости между двух плоскостей при наличии температурного градиента. Эти, так называемые ячейки Бенера, возникают при условиях, выраженных критическим числом Рэлея RAкр, связывающим ряд механических и термодинамических параметров. В предлагаемой статье качественно рассматривается аналогичное явление в крупномасштабном потоке жидкости - речном течении, где наблюдается нестационарная ячеистая структура вертикальных конвективных движений. Выдвинута также гипотеза о существовании микровихревой компоненты в состоянии гидродинамического равновесия.
    
    Рис. 2
    На рис. 1 дана картина стационарных ячеек Бенера. Если бы температурное поле на нижней пластине изменялось случайным образом - так, чтобы параметр RA, связанный с разностью температур, нерегулярно колебался около величины RAкр, наблюдалась бы нестационарная картина, где конвективные ячейки возникали и исчезали бы в разных местах объема жидкости.
    На рис. 2 представлена фотография поверхности реки Енисей в районе г.Красноярска - отчетливо видны зоны с гладкой зеркальной поверхностью, перемежающиеся областями нерегулярных волн. Как показывают наши наблюдения, гладкие участки поверхности возникают вследствие поступления из глубины конвекционных струй, несущих значительные объемы воды. Эти объемы затем растекаются по поверхности, встречают сопротивление окружающих слоев и образуют замкнутую границу, где жидкость закручивается, уходя вниз.
    
    
    
    
    
    
    На рис. представлены снимки крупным планом таких областей с четкими границами. Граница области образована кольцевыми вихрями, как бы нанизанными на замкнутую нить - искривленный контур. Эта структура напоминает связку баранок, поэтому мы предлагаем так и именовать ее в дальнейшем. Подобные связки "баранок" возникают и существуют в пределах считанных минут, постепенно исчезая под напором окружающего фронта волн. Процесс возникновения "баранок" связан с внутренними особенностями турбулентного потока енисейской воды и не зависит от внешних условий (так, например, он быстро возобновляется после прохождения по реке скоростного судна). Механизм возникновения "баранок" нуждается в изучении и моделировании, пока выскажем несколько соображений, основанных на наблюдениях.
    Рис. 7, 8
    Объем воды, поступающий на поверхность в момент образования "баранок", довольно значительный и несет большой импульс - замкнутый контур такой гирлянды охватывает площадь до 10 кв. м. и явственно возвышается над средним уровнем поверхности. В связи с этим возникает вопрос: как движется снизу-вверх этот объем - в виде так называемой затопленной струи или же он изначально имеет форму тороидального вихря, некоего "калача", возникающего в глубине, который потом доходит до поверхности и распадается на связку "баранок"? Нам представляется более правдоподобным второй вариант (cм. рис. 7, 8), а механизм возникновения тороидальных кольцевых вихрей видится в форме мощных "биений" в придонном потоке воды.
    Целесообразно привести рассуждения И.Пригожина о конвективных ячейках. ............