Лабораторное и численное моделирование устойчиво стратифицированного ветрового потока над водной поверхностью

Целью настоящей работы является проведение лабораторного и прямого численного моделирования (DNS) турбулентного ветрового потока над водной поверхностью в условиях устойчивой стратификации воздушного пограничного слоя. Лабораторный и численный эксперименты проводились при одинаковых балковых числах Рейнольдса (Re) и Ричардсона (Ri), что позволило впервые напрямую сравнить результаты измерений и расчета. В лабораторном эксперименте, выполнявшемся на Ветро-Волновом канале (ВВК) Большого Термостратифицированного бассейне (БТСБ) ИПФ РАН, была достигнута разница температуры между воздухом и водой до 20 K, при относительно низкой скорости ветра (до 3 м/с). Это позволило реализовать сильную устойчивую стратификацию с балковым Ri до 0.04. Скорость воздушного потока измерялась как контактным способом (трубка Пито), так и методом, основанным на визуализации потока - Particle Image Velocimetry (PIV). Также, параллельно измерялась температура воздушного потока при помощи контактного датчика. Аналогичные балковые числа Re и Ri реализованы в DNS турбулентного течения Куэтта, которое моделирует приводный атмосферный погранслой с постоянным турбулентным потоком импульса. Средние профили скорости и температуры, полученные в лабораторном и численном экспериментах, хорошо согласуются друг с другом, а также хорошо описываются в рамках теории подобия Монина-Обухова. Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что хотя достаточно сильная стратификация и допускает статистически стационарный турбулентный режим, но приводит к резкому уменьшению потоков импульса и тепла. Для данного режима продемонстрировано, что турбулентное число ReL для погранслоя (основанное на масштабе длины Обухова и скорости трения) удовлетворяет известному критерию, характеризующему стационарную турбулентность в условиях сильной стратификации.