Читать онлайн «Распространение волн в сдвиговых потоках»

Ю. А. СТЕПАНЯНЦ А. Л. ФАБРИКАНТ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН В СДВИГОВЫХ ПОТОКАХ ВВЕДЕНИЕ Среди всего многоообразия волновых процессов, наблюдаемых в средах различной физической природы, особое место занимает взаимодействие волн с гидродинамическими потоками. Движение среды является одним из основных факторов, воздействующих на распространение волн различной природы как в естественных условиях, так и во многих технических устройствах [10, 34, 127, 145]. Колебания и волны в гидродинамических течениях могут рассматриваться в различных аспектах. Сюда относятся, прежде всего, вопросы генерации волновых возмущений. Для различных типов волн изучались процессы генерации заданными нестационарными течениями: механизм Лайтхилла генерации звука турбулентностью [65] и его аналог для внутренних гравитационных волн [26], механизм Фил- липса генерации поверхностных волн ветром [173], механизм генерации звука в некоторых типах свистков [202] и т. д. Многочисленные работы посвящены исследованию самовозбуждения волн в потоках, что составляет одну из основных задач теории гидродинамической неустойчивости [9, 210]. Сюда примыкает также весьма широкий круг задач о распространении и взаимодействии с гидродинамическими течениями волн, генерируемых внешними источниками. Хотя неустойчивые собственные моды составляют лишь часть спектра волновых возмущений, проблемы и методы исследования, возникшие в теории гидродинамической неустойчивости, могут быть использованы в общей теории волн в гидродинамических течениях. Заметим также, что исследование характеристик преломления и рассеяния волн в неоднородных течениях и их использование, в частности для диагностики течений, относятся к типичным задачам теории распространении волн в атмосфере, океане и других природных средах [45]. Простейшие неустойчивости исследованы еще в прошлом веке для течений типа тангенциального разрыва скорости [145]. Исследование возмущений в сдвиговых течениях с непрерывным профилем скорости, начатое в основополагающих работах Рэлея, Орра, Зоммер- фельда и др. , оказалось весьма трудной задачей. Для ее решения были развиты асимптотическая теория уравнений с сингулярными возмущениями [99], а также численные методы, позволяющие провести детальный анализ широкого класса течений [9, 43]. При распространении волн в гидродинамических потоках ключевую роль играют механизмы их усиления, и поглощения при взаимодействии с течениями. На эту тему опубликовано большое число работ, однако в них обычно недостает качественного анализа и простой физической интерпретации возникающих эффектов. Физический подход к задачам гидродинамики предполагает выделение, детальное исследование и классификацию простейших моделей, соответствующих элементарным актам взаимодействия "волна- поток", на основе которых возможно качественное объяснение наблюдаемых процессов. В данной книге предпринята попытка восполнить указанный пробел. Здесь представлена разработка и исследование простейших физических моделей для различных типов волн в сдвиговых и вихревых течениях с учетом вертикальной стратификации, горизонтальной неоднородности, вращения среды и других факторов, встречающихся в природных условиях.