Scenarios of passive particle transport in the velocity field of a vortex pair in shear flow

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

The purpose of the work is to analyze the transport of passive particles in the velocity field of a two-vortex configuration on a plane with a possible presence of a shear flow. We model the system using two point vortices and a shear flow, where the velocity components depend linearly on one coordinate. Scenarios of particle transport and mixing are studied depending on the intensity of one vortex (in the region of [-1, 1]∖{0}) and various shear flows with fixed initial positions of the vortices and an intensity of the second equal to unity. In the investigation, we mainly use numerical methods of dynamical systems analysis. We apply 8th-order of accuracy integrators to solve the Cauchy problem for a system of ordinary differential equations. The study also involved constructing Poincare sections and fields of local Lyapunov exponents, as well as studying transformations of marker circles (fluid contours) on a plane. Results. Depending on the signs of the vortex intensities and the direction of the shear flow, the following scenarios were found: mixing of particles near the vortex structure; movement of a vortex pair along closed orbits with the transfer of particles from its vicinity and mixing near the orbits; mixing of particles in a large area on the plane; movement of a vortex pair to infinity with the transfer of particles from the vicinity of its initial position over long distances; disintegration of the pair and movement of vortices in different directions to infinity with the transfer of particles from the vicinity of their initial positions. In the presence of a shear flow, stochastic scattering of passive particles is typical, which is because of their chaotic dynamics. Conclusion. We show that depending on the signs of intensities and parameters of the shear flow, a vortex pair can be a ’carrier’ moving particles from the vicinity of its initial position over long distances, a ’mixer’ of particles in a limited area of the plane, a ’scatterer’ of particles from a certain area along its path to infinity. The results of the article can be useful in explaining the complexity of transfer processes in fluids and gas flows when vortex pairs arise in them.  

Sobre autores

Vasily Govorukhin

Southern Federal University

ORCID ID: 0000-0001-8459-7841
Código SPIN: 9852-4376
Scopus Author ID: 6602725971
Researcher ID: S-3388-2016
ul. Bol`shaya Sadovaya 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia

Boris Goncharov

Southern Federal University

ORCID ID: 0009-0006-7544-1814
Código SPIN: 9564-4011
Researcher ID: LUZ-8372-2024
ul. Bol`shaya Sadovaya 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia

Bibliografia

  1. Hughes C. W., Miller P. I. Rapid water transport by long-lasting modon eddy pairs in the southern midlatitude oceans // Geophysical Research Letters. 2017. Vol. 44, no. 12. P. 375– 384. doi: 10.1002/2017GL075198.
  2. Callendar W., Klymak J. M., Foreman M. G. G. Tidal generation of large sub-mesoscale eddy dipoles // Ocean Sci. 2011. Vol. 7, iss. 7. P. 487–502. doi: 10.5194/os-7-487-2011.
  3. Govorukhin V. N. An extended and improved particle-spectral method for analysis of unsteady inviscid incompressible flows through a channel of finite length // Int. J. Numer. Meth. Fluids. 2023. Vol. 95, iss. 4. P. 579–602. doi: 10.1002/fld.5163.
  4. Kilin A. A., Artemova E. M.. Bifurcation Analysis of the Problem of Two Vortices on a Finite Flat Cylinder // Rus. J. Nonlin. Dyn. 2024. Vol. 20, no. 1. P. 95–111. doi: 10.20537/nd231209.
  5. Afanasyev Y. D. Formation of vortex dipoles // Physics of Fluids. 2006. Vol. 18, iss. 3. P. 037103. doi: 10.1063/1.2182006.
  6. Trieling R., Dam C., van Heijst G. Dynamics of two identical vortices in linear shear // Physics of Fluids. 2010. Vol. 22, iss. 11. P. 117104. doi: 10.1063/1.3489358.
  7. Salinas-Rodrguez E., Hernandez M. G., Torres A., Valderrama F., Vald es-Parada F. J. Dynamic evolution of vortex dipoles // Revista Brasileira De Ensino De Fsica. 2011. Vol. 33, iss. 3. P. 3310. doi: 10.1590/S1806-11172011000300010.
  8. Gethner R. M. Motion of two point vortices in a steady, linear, and elliptical flow // International Journal of Mathematics and Mathematical Sciences. 2001. Vol. 28, iss. 10. P. 571–580. DOI: 10.1155/ S0161171201007153.
  9. Folz P. J. R, Nomura K. K. On asymmetric vortex pair interactions in shear // Journal of Fluid Mechanics. 2023. Vol. 969. P. A21. doi: 10.1017/jfm.2023.525.
  10. Marcus P. S. Vortex dynamics in a shearing zonal flow // Journal of Fluid Mechanics. 1990. Vol. 215. P. 393–430. doi: 10.1017/S0022112090002695.
  11. Ryzhov E. A., Koshel K. V. Two-point-vortex evolution in an oscillatory shear flow with rotation // Europhys. Lett. 2014. Vol. 108, no. 2. P. 24002. doi: 10.1209/0295-5075/108/24002.
  12. Vic A., Carton X., Gula J. The interaction of two unsteady point vortex sources in a deformation field in 2D incompressible flows // Regul. Chaot. Dyn. 2021. Vol. 26, iss. 6. P. 618–646. doi: 10.1134/S1560354721060034.
  13. Walsh D., Pratt L. J. The interaction of a pair of point potential vortices in uniform shear // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1995. Vol. 22, iss. 3. P. 135–160. doi: 10.1016/0377- 0265(95)00402-V.
  14. Velasco Fuentes O. U., van Heijst G. J. F., Cremers B. E. Chaotic transport by dipolar vortices on a -plane // Journal of Fluid Mechanics. 1995. Vol. 291, iss. 1. P. 139–161. doi: 10.1017/s002211 2095002655.
  15. Говорухин В. Н. Идентификация и прогноз динамики плоской вихревой структуры на основе математической модели системы точечных вихрей // Известия вузов. ПНД. 2023. Т. 31, № 6. С. 710–726. doi: 10.18500/0869-6632-003071.
  16. Борисов А. В., Мамаев И. С. Математические методы динамики вихревых структур. Ижевск: НИЦ «РХД», Инст. компьютерн. исслед., 2005. 368 c.
  17. Кирхгоф Г. Механика. Лекции по математической физике. М.: АН СССР, 1962. 404 c.
  18. Didov A. A., Uleysky M. Y., Budyansky M. V. Stable and unstable periodic orbits and their bifurcations in the nonlinear dynamical system with a fixed point vortex in a periodic flow // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2020. Vol. 91. P. 105426. doi: 10.1016/j.cnsns.2020.105426.
  19. Ryzhov E. A., Koshel K. V. Global chaotization of fluid particle trajectories in a sheared two-layer two-vortex flow // Chaos. 2015. Vol. 25, iss. 10. P. 103108. doi: 10.1063/1.4930897.
  20. Vetchanin E. V., Mamaev I. S. Dynamics of two point vortices in an external compressible shear flow // Regul. Chaot. Dyn. 2017. Vol. 22, no. 8. P. 893–908. doi: 10.1134/S1560354717080019.
  21. Rom-Kedar V., Leonard A., Wiggins S. An analytical study of transport, mixing and chaos in an unsteady vortical flow // Journal of Fluid Mechanics. 1990. Vol. 214. P. 347–394. DOI: 10.1017/ S0022112090000167.
  22. Kuznetsov L., Zaslavsky G. M. Regular and chaotic advection in the flow field of a three-vortex system // Phys. Rev. E. 1998. Vol. 58, no. 6. P. 7330–7349. doi: 10.1103/physreve.58.7330.
  23. Говорухин В. Н. Перенос пассивных частиц в поле скорости движущегося по плоскости вихревого триполя // Известия вузов. ПНД. 2023. Т. 31, вып. 3. С. 286–304. doi: 10.18500/0869- 6632-003039.
  24. Delbende I., Selcuk C., Rossi M. Nonlinear dynamics of two helical vortices: A dynamical system approach // Physical Review Fluids. 2021. Vol. 6, no. 8. P. 084701. doi: 10.1103/PhysRevFluids. 6.084701.
  25. Кошель К. В., Пранц С. В. Хаотическая адвекция в океане // Успехи физических наук. 2006. Т. 176, № 11. С. 1178–1206. doi: 10.3367/UFNr.0176.200611c.1177.
  26. Aref H., Roenby J., Stremler M. A., Tophoj L. Nonlinear excursions of particles in ideal 2D flows // Physica D. 2011. Vol. 240, iss. 2. P. 199-207. doi: 10.1016/j.physd.2010.08.007.
  27. Anurag A., Goodman R., O’Grady E. A new canonical reduction of three-vortex motion and its application to vortex-dipole scattering // Physics. of Fluids. 2024. Vol. 36, iss. 6. P. 067110. doi: 10.1063/5.0208538.
  28. Kimura Y., Hasimoto H. Motion of two identical point vortices in a simple shear flow // J. Phys. Soc. Jpn. 1985. Vol. 54, no. 11. P. 4069–4072. doi: 10.1143/JPSJ.54.4069.
  29. Богомолов В. А. Взаимодействие вихрей в плоскопараллельном потоке // Изв. АН СССР, Физ. атмосф. и океана. 1981. Т. 17, № 2. C. 199–201.
  30. Ryzhov E. A., Koshel K. V., Carton X. J. Passive scalar advection in the vicinity of two point vortices in a deformation flow // European Journal of Mechanics - B/Fluids. 2012. Vol. 34. P. 121–130. doi: 10.1016/j.euromechflu.2012.01.005.
  31. Perrot X., Carton X. Point-vortex interaction in an oscillatory deformation field: Hamiltonian dynamics, harmonic resonance and transition to chaos // Discrete and Continuous Dynamical Systems - B. 2009. Vol. 11, № 4. P. 971–995. doi: 10.3934/dcdsb.2009.11.971.
  32. The MathWorks. https://www.mathworks.com.
  33. Verner J. H. Numerically Optimal Runge–Kutta Pairs with Interpolants // Numer. Algor. 2010. Vol. 53, № 2–3. P. 383–396. doi: 10.1007/s11075-009-9290-3.
  34. Govorukhin V. ode87 Integrator. https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/3616-ode87-integrator.
  35. Shadden S. C., Lekien F., Marsden J. E. Definition and properties of Lagrangian coherent structures from finite-time Lyapunov exponents in two-dimensional aperiodic flows // Physica D. 2005. Vol. 212, iss. 3–4. P. 271–304. doi: 10.1016/J.PHYSD.2005.10.007.
  36. Haller G. Finding finite -time invariant manifolds in two-dimensional velocity fields // Chaos. 2000. Vol. 10. P. 99–108. doi: 10.1063/1.166479.
  37. Говорухин В. Н., Филимонова А. М. Анализ структуры плоских вихревых течений и их изменений во времени // Вычислительная механика сплошных сред. 2021. Т. 14, № 4. C. 367–376. doi: 10.7242/1999-6691/2021.14.4.30.
  38. Govorukhin V. N., Morgulis A., Yudovich V. I., Zaslavsky G. M. Chaotic advection in compressible helical flow // Phys. Rev. E. 1999. Vol. 60, no. 3. P. 2788–2798. doi: 10.1103/PhysRevE.60.2788.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».