ИСТИНА

Экспериментально и численно исследовано влияние нескольких видов контролируемых возмущений на переход к турбулентности во вращающемся сферическом слое. Первый вид – вращение внутренней сферы с постоянным по величине ускорением, при этом внешняя сфера неподвижна. Два другие – периодическое изменение скорости вращения одной из сфер при постоянной скорости вращения другой. Два последних вида возмущений применялись к течению, формируемому в случае встречного вращения границ, амплитуды и частоты модуляции малы по сравнению со средними значениями скоростей вращения сфер. Прямой расчет течений, формирующихся в результате постоянного ускорения внутренней сферы, проведен в случае начала ускорения при стационарном течении, и его окончания – выше предела устойчивости. Установлено, что при постоянном ускорении меридиональная часть кинетической энергии течения быстрее достигает своего стационарного значения, чем азимутальная часть. Это может рассматриваться как кратковременное увеличение относительной толщины слоя, что и является основной причиной для изменения волнового числа вторичного течения под действием ускорения, поскольку давно известна зависимость волнового числа вторичного течения от относительной толщины слоя при стационарных граничных условиях. Впервые найдены объяснения для появления в экспериментах областей неопределенности со случайным выбором волнового числа. Установлено, что эти области расположены там, где происходит изменение волнового числа в решениях уравнений Навье-Стокса. Появление области неопределенности обусловлено наличием шума в эксперименте, из-за которого невозможно точно определить начальные условия и, соответственно, предсказать волновое число после окончания ускорения. Экспериментальные и численные исследования с использованием возмущений в виде периодической модуляции скорости вращения одной из сферических границ выполнены в случае, когда в качестве начального состояния рассматривается периодическое течение. Показано, что повышение амплитуды модуляции при постоянной ее частоте приводит к разрушению исходного течения и формированию турбулентности. Установлено, что вид перехода к турбулентности определяется частотой модуляции. В случае частоты меньшей, чем частота исходного периодического течения, переход происходит через перемежаемость типа «цикл-хаос» - произвольное чередование во времени ламинарных и турбулентных участков измеряемой в эксперименте скорости течения. С увеличением частоты модуляции впервые в гидродинамике экспериментально обнаружены перемежаемость «цикл-хаос-хаос» и «хаос-хаос» с произвольным чередованием участков со слабой и сильной турбулентностью. Дальнейшее увеличение частоты приводит к формированию однородной во времени турбулентности. С использованием понятия мгновенной фазы/частоты разработан метод разделения участков со слабой и сильной турбулентностью на основе поведения мгновенной разности фаз между скоростью сферы и измеряемой скоростью течения, а также количественной оценки их свойств на основе поведения мгновенной разности частоты. Прямой расчет в случае модуляции скорости внешней сферы выявил причины как перехода к турбулентности, так и появления перемежаемости типа «цикл-хаос».