Влияние твердых границ на свойства двумерного турбулентного течения в квадратной ячейке

В этой работе мы проводим численное моделирование турбулентного течения в двумерной квадратной ячейке с твердыми непроскальзывающими границами в отсутствие механизма трения о дно. Турбулентность возбуждается стационарной во времени и периодической в пространстве внешней силой. Вблизи границ ячейки формируются пограничные слои, и мы изучаем их влияние на течение. Оказалось, что в зависимости от наличия момента у внешней силы относительно центра ячейки (подкрутки), возможны два качественно различных поведения течения. В случае с подкруткой в центре ячейки образовывается долгоживущий когерентный вихрь, а в противоположном случае вихри разных знаков постоянно сменяют друг друга в центре ячейки. Качественно, дестабилизация вихря в центре ячейки происходит за счет проникновения в объем мелких интенсивных вихрей, формирующихся в пограничных слоях. Кроме того, мы показываем, что вблизи границ системы диссипирует около половины вкачиваемой энергии, что подчеркивает важность разрешения пограничных слоев. Сами пограничные слои при этом ведут себя турбулентным образом с вязким линейным подслоем. Что касается структуры когерентного вихря, то она оказалась изотропной. Мы зафиксировали отличие полярной скорости когерентного вихря от предсказаний асимптотической теории, что обусловлено сравнимостью размера вихря с длиной корреляции внешней силы в нашем численном моделировании. Полученные результаты позволяют глубже понять влияние пограничных слоев на свойства двумерного турбулентного течения.