Influence of the Weak Surface Film on Formation and Propagation of Wind Waves in a Channel

Yu. Yu. Plaksina; Плаксина Ю. Ю.; A. V. Pushtaev; Пуштаев А. В.; N. A. Vinnichenko; Винниченко Н. А.; A. V. Uvarov; Уваров А. В.

doi:10.31857/S0002351523050097

Влияние слабой поверхностной пленки на возникновение и распространение ветровых волн в канале

Авторы: Плаксина Ю.Ю.¹, Пуштаев А.В.¹, Винниченко Н.А.¹, Уваров А.В.¹
Учреждения:
1. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет
Выпуск: Том 59, № 5 (2023)
Страницы: 661-672
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0002-3515/article/view/140372
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002351523050097
EDN: https://elibrary.ru/PLOWBA
ID: 140372

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Процессы зарождения ветровых волн, несмотря на многочисленные исследования, остаются плохо изученными. Одна из основных причин, по мнению авторов, состоит в упрощенном теоретическом анализе, не учитывающем слабую пленку естественных примесей. В работе проведено экспериментальное исследование и сравнение генерации волн в двух ветровых каналах в этаноле, воде и воде с добавлением растворимого поверхностно-активного вещества – додецилсульфата натрия (SDS) в разных концентрациях. Используемые в работе концентрации очень слабо меняют коэффициент поверхностного натяжения, но существенно меняют структуру приповерхностных течений. В этаноле холодная пленка не образуется, и он может рассматриваться как базовый пример. В воде и воде с добавлением ПАВ пленка рвется при определенной критической скорости обдува (увеличивающейся при увеличении концентрации ПАВ) и происходит очистка поверхности. Но, для того, чтобы поверхность оставалась чистой, адсорбция примесей на поверхность должна компенсироваться их удалением сдвиговыми напряжениями. В работе используются три экспериментальные методики для исследования влияния холодной пленки на образование ветровых волн. Для определения рельефа поверхности в работе использовался модифицированный цветной шлирен-метод, для определения поля скорости в жидкости – метод цифровой трассерной визуализации (PIV). Поля температуры поверхности, которые позволяют идентифицировать области разрыва холодной пленки, измерялись с помощью инфракрасной термографии поверхности. Также с помощью термографии исследовалось поле скорости на поверхности (ИК PIV). Показано, что пленка оказывает существенное влияние как на амплитуду волн, так и на структуру приповерхностного течения.

Ключевые слова

поверхностная пленка, ветровые волны, PIV, ИК-термография, цветной шлирен-метод

Список литературы

Голицын Г.С. Статистика и динамика природных процессов и явлений. Методы, инструментарий, результаты. М.: Красанд, 2013. 400 с.
Дружинин О.А. О динамике дрейфового течения при слабом ветре // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 6. С. 743–752.
Кандауров А.А., Троицкая Ю.И., Сергеев Д.А., Вдовин М.И., Байдаков Г.А. Среднее поле скорости воздушного потока над поверхностью воды при лабораторном моделировании штормовых и ураганных условий в океане // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 4. С. 455–467.
Ламб Г. Гидродинамика. М.: ОГИЗ, 1947. 929 с.
Монин А.С., Яглом А.Я. Статистическая гидромеханика. Ч. 1. М.: Наука, 1965. 640 с.
Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. М.: Гидрометеоиздат, 1985. 376 с.
Плаксина Ю.Ю., Пуштаев А.В., Винниченко Н.А., Уваров А.В. Влияние малых примесей на формирование структур при конвекции Рэлея-Бенара-Марангони в плоском слое жидкости. // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. 2018. Т. 5. С. 56–62.
Реутов В.П., Езерский А.Б., Рыбушкина Г.В., Чернов В.В. Конвективные структуры в тонком слое испаряющейся жидкости, обдуваемой воздушным потоком // ПМТФ. 2007. Т. 48. № 4. С. 3–14.
Федоров К.Н., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 303 с.
Черноусько Ю.Л., Шумилов А.В. Испарение и микроконвекция в тонком поверхностном слое // Океанология. 1971. Т. 11. № 6. С. 982–986.
Banner M.L., Peirson W.L. Tangential stress beneath wind-driven air-water interfaces // J. Fluid Mech. 1998. V. 364. P. 115–145.
Benetazzo A., Fedele F., Gallego G., Shih P.-C., Yezzi A. Offshore stereo measurements of gravity waves // Coast. Eng. 2012. V. 64. P. 127–138.
Deskos G., Lee J.C.Y., Draxl C.A., Spraque M.A. Review of wind-wave coupling models for large-eddy simulation of marine atmospheric boundary layer // J. Atmos. Sci. 2021. V. 78. № 10. P. 3025–3045.
Izzet A., Moerman P.G., Gross P., Groenewold J., Hollingsworth A.D., Bibette J., Izzet J.B. Tunable persistent random walk in swimming droplets // Phys. Rev X. 2020. V. 10. P. 021 035.
Jähne B., Klinke J., Waas S. Imaging of short ocean wind waves: a critical theoretical review // JOSA A. 1994. V. 11. № 8. P. 2197–2209.
Katsaros K.B., Liu W.T., Businger J.A., Tilman J.A. Heat transport and thermal structure in the interfacial boundary layer measured in an open tank of water in turbulent free convection // J. Fluid Mech. 1977. V. 82. № 2. P. 311–335.
Keane R.D., Adrian R.J. (1992) Theory of cross-correlation analysis of PIV images // Appl. Sci. Res. 1992. V. 49. P. 191–215.
Kosnik M.V., Dulov V.A. Extraction of short wind wave spectra from stereo images of the sea surface // Meas. Sci. Technol. 2011. V. 22. № 1. P. 015504.
Kou J., Judd K.P., Saylor J.R. The temperature statistics of a surfactant-covered air/water interface during mixed convection heat transfer and evaporation // Int. J. Heat Mass Transfer 2011. V. 54. P. 3394–3405.
Kudryavtsev V., Shrira V., Dulov V., Malinovsky V. On the Vertical Structure of Wind-Driven Sea Currents // J. Phys. Oceanogr. 2008. V. 38. P. 2121–2144.
Li T., Shen L. The principal stage in wind-wave generation // J. Fluid Mech. 2022. V. 934. P. A41.
Longo S., Chiapponi L., Clavero M., Mäkelä T., Liang D. Study of the turbulence in the air-side and water-side boundary layers // Coast. Eng. 2012. V. 69. P. 67–81.
Miles J.W. On the generation of surface waves by shear flows // J. Fluid Mech. 1957. V. 3. № 2. P. 185–204.
Moisy F., Rabaud M., Salsac K. A synthetic Schlieren method for the measurement of the topography of a liquid interface // Exp. Fluids. 2009. V. 46. P. 1021–1036.
Pawliszak P., Ulaganathan V., Bradshaw-Hajek B.H., Manica R., Beattie D.A., Krasowska M. Mobile or immobile? Rise velocity of air bubbles in high-purity water // J. Phys. Chem. C 2019. V. 123. P. 15131–15138.
Phillips O.M. On the generation of waves by turbulent wind // J. Fluid Mech. 1957. V. 2. № 5. P. 417–444.
Raffel M., Willert C.E., Scarano F., Kähler C.J., Wereley S.T., Kompenhans J. (2007) Particle image velocimetry: a practical guide. Third edition. Springer: Berlin, 2018. 669 p.
Rudenko Y.K., Vinnichenko N.A., Plaksina Y.Y., Pushtaev A.V., Uvarov A.V. Horizontal convective flow from a line heat source located at the liquid–gas interface in presence of surface film. // J. Fluid Mech. 2022. V. 944. P. A35.
Schlussel R., Emery W.J., Grassel H., Mammen N. On the bulk skin temperature difference and its impact on satellite remote sensing of sea surface temperature // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. P. 13341–13356.
Siddiqui K., Loewen M.R. Characteristics of the wind drift layer and microscale breaking waves // J. Fluid Mech. 2007. V. 573. P. 417–456
Veron F., Melvill W.K. Experiments on the stability and transition of wind-driven water surfaces // J. Fluid Mech. 2001. V. 446. P. 25–65.
Veron F., Melville W.K., Lenail L. The effects of small-scale turbulence on air–sea heat flux // J. Phys. Oceanogr. 2011. V. 41. № 1. P. 205–220.
Vinnichenko N.A., Plaksina Yu.Yu., Baranova K.M., Pushtaev A.V., Uvarov A.V. Mobility of free surface in different liquids and its influence on water striders locomotion // Environ. Fluid Mech. 2018. V. 18. P. 1045–1056.
Vinnichenko N.A., Pushtaev A.V., Plaksina Y.Y., Uvarov A.V. Measurements of liquid surface relief with moon-glade background oriented schlieren technique // Exp. Therm. Fluid Sci. 2020. V. 114. P. 110051.
Yousefi K, Veron F., Buckley M.P. Turbulent and wave kinetic energy budgets in theairflow over wind-generated surface waves // J. Fluid Mech. 2021. V. 920. A33.
Zavadsky A., Shemer L. Water waves excited by near-impulsive wind forcing // J. Fluid Mech. 2017. V. 828. P. 459–495.
Zavadsky A., Benetazzo A., Shemer L. On the two-dimensional structure of short gravity waves in a wind wave tank // Phys. Fluids. 2017. V. 29. 016601.
Zhang X., Cox C. Measuring the two-dimensional structure of wavy water surface optically: A surface gradient detector // Exp. Fluids 1994. V. 7. P. 225–237.
Zhang X., Dabiri D., Gharib M. Optical mapping of fluid density interfaces: Concepts and implementations // Rev. Sci. Instrum. 1996. V. 67. № 5. P. 1858–1868.