Новости науки "Русского переплета" Rambler's Top100
Портал | Содержание | О нас | Пишите | Новости | Книжная лавка | Голосование | Топ-лист | Регистрация | Дискуссия
Лучшие молодые
ученые России

Подписаться на новости

АВТОРСКИЕ НАУЧНЫЕ ОБОЗРЕНИЯ

"Физические явления на небесах" | "Terra & Comp" (Геология и компьютеры) | "Неизбежность странного микромира"| "Научно-популярное ревю"| "Биология и жизнь" | Теорфизика для малышей
Семинары - Конференции - Симпозиумы - Конкурсы

НАУКА В "РУССКОМ ПЕРЕПЛЕТЕ"
Проект поддержан Международной Соросовской Программой образования в области точных наук.
Новости из мира науки и техники
The Best of Russian Science and Technology
Страницу курирует проф. В.М.Липунов
"Русский переплет" зарегистрирован как СМИ. Свидетельство о регистрации в Министерстве печати РФ: Эл. #77-4362 от
5 февраля 2001 года. При полном или частичном использовании
материалов ссылка на www.pereplet.ru обязательна.

Тип запроса: "И" "Или"

02.02.2018
23:48

Физики заставили воду обтекать цилиндр и открыли новый тип ямок

    Французские физики экспериментально исследовали, как потоки воды размывают песчаное дно вокруг цилиндрической колонны, и открыли новый тип ямок, возникающих, когда скорость течения близка к критической, и расходящихся в две стороны от цилиндра. Кроме того, ученые выяснили, что размеры цилиндра практически не влияют на форму ямки. Статья опубликована в Physical Review Fluids, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

    Если речное дно сложено из песка, оно будет постепенно размываться в результате процесса эрозии. Потоки воды подхватывают и уносят песчинки — причем тем больше, чем выше скорость течения, однако размывание происходит не при любой скорости течения. В действительности оно начинается только тогда, когда сдвиговое напряжение на границе песка превышает определенное критическое значение — в этом случае трение на границе песка и воды пересиливает трение между песчинками и отрывает их друг от друга. Поймать этот момент не так-то просто, поскольку около него песок переходит из «жидкого» состояния в «твердое». Тем не менее, были поставлены эксперименты, в которых ученые достаточно подробно исследовали ранние стадии эрозии.

    Исследование эрозии значительно усложняется, если закопать в песок тело какой-нибудь сложной формы. В этом случае начинают играть роль нелинейные процессы, и в жидкости возникают вихри, вымывающие в песке ямки причудливой формы. Например, в случае обтекания жидкостью цилиндра возникают «вихри-подковы», которые оборачиваются вокруг тела, и вихри Бернарда фон Кармана, тянущиеся от него вдаль. За последние десять лет было опубликовано несколько работ, посвященных размыванию дна около вкопанной в песок цилиндрической колонны. Однако во всех этих работах внимание было сосредоточено на уже устоявшемся процессе эрозии, тогда как близкое к граничному поведение песка практически не исследовалось.

    В новой работе группа физиков под руководством Филиппа Гондре (Philippe Gondret) изучила, как происходит размывание дна около цилиндрической колонны в режиме, близком к критическому. Для этого они собрали простую экспериментальную установку, в которой потоки воды приводились в движение с помощью лопастного колеса и прогонялись через канал шириной 10 сантиметров. На дне канала был насыпан четырехсантиметровый слой маленьких стеклянных шариков диаметром около 0,27 миллиметра. Посередине канала ученые закрепляли с помощью магнита цилиндры разного диаметра. Перед каждым новым экспериментом шарики встряхивались и выравнивались, так что их плотность упаковки оставалась практически постоянной. Скорость потока воды была подобрана так, чтобы в отсутствие цилиндра эрозия дна не происходила.

    Изготовив экспериментальную установку, ученые исследовали профили скорости жидкости, обтекающей цилиндр, с помощью цифровой трассерной визуализации (particle image velocimetry, PIV). В этом методе в воду добавляют мелкие частицы, не влияющие на вязкость и плотность жидкости, а затем освещают ее периодическими вспышками лазера. Замечая, какое расстояние прошли частицы между двумя вспышками, можно найти их скорость. Кроме того, физики измеряли глубину вымываемых ямок.

    Оказалось, что форма ямок и образующихся вихрей определяется числом Шилдса (Shields number). Когда это число для жидкости много меньше критического значения, эрозия не происходит. В обратном случае, когда число значительно превышает критическое, около цилиндра образуется глубокая ямка, похожая на подкову (horseshoe scour, HSS). В промежуточной же области, когда число Шилдса примерно равно критическому, ученые обнаружили формирование нового типа ямок (wake scour, WS).

    Кроме того, ученые исследовали, как размер цилиндра влияет на критическое число и форму ямки. Неожиданно оказалось, что они практически не меняются в широком диапазоне диаметров цилиндра (смотри рисунок). При этом разница в толщине сказывалась сильнее в режиме WS, когда эрозия только-только начинается.

    Если прогонять через микроканалы жидкость, в которой растворены частицы, они будут выстраиваться в «поезда» — самоупорядоченные массивы, расположенные на некотором расстоянии от стенки. Это происходит из-за того, что при большой скорости жидкости ее свойства определяются не только вязкостью, но и инерцией.

    По информации https://nplus1.ru/news/2018/01/31/water-scouring

    Обозрение "Terra & Comp".

Помощь корреспонденту
Кнопка куратора
Добавить новость
Добавить новости
НАУКА В "РУССКОМ ПЕРЕПЛЕТЕ"

Если Вы хотите стать нашим корреспондентом напишите lipunov@sai.msu.ru

 

© 1999, 2000 "Русский переплет"
Дизайн - Алексей Комаров

Rambler's Top100