Капиллярная турбулентность на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4

2
Оглавление
Общая характеристика работы................................. 4
Предисловие...................................... 10
1 Введение 11
1.1 Спектр малых колебаний заряженной поверхности жидкости, собственные колебания поверхности в цилиндрической ячейке......................................... 11
1.2 Волновая турбулентность...................... 14
2 Описание экспериментальной методики 23
2.1 Экспериментальная установка ........................... 23
2.2 Методика регистрации волн.................... 28
3 Формирование турбулентного каскада на поверхности жид-
кого гелия-4. Наблюдение локального максимума в спектре капиллярных волн при гармонической накачке поверхности 33
4 Влияние свойств жидкости на положение высокочастотного
края инерционного интервала 46
5 Влияние спектральной характеристики возбуждающей силы на свойства турбулентного спектра 57
6 Заключения и выводы Литература
4
Общая характеристика работы
Объект исследования и актуальность темы. В данной работе представлены результаты экспериментов по капиллярной турбулентности на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4. Интерес к проблеме капиллярной турбулентности объясняется несколькими причинами. При условиях нулевой гравитации именно они являются основным типом поверхностных волн. Также капиллярные волны играют важную роль в динамике морской поверхности, так как вязкостная диссипация существенна именно на масштабах капиллярного диапазона (в отличии от слабозатухающих гравитационных волн). Кроме этого, капиллярные волны интересны как модельная система для проверки предсказаний теории волновой турбулентности, которая описывает широкий класс слабо нелинейных систем не только в гидродинамике, но и в других областях физики (плазма, нелинейная оптика, физика твердого тела и т.д.).
Эксперименты по изучению капиллярной турбулентности на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4 и жидкого водорода представляют особый интерес. В работах по турбулентности в системе капиллярных волн на поверхности жидкого водорода М.Ю. Бражниковым [1-6] была использована оригинальная экспериментальная методика, основанная на возбуждении волн на заряженной поверхности водорода переменным электрическим полем и их последующей регистрации по осцилляциям мощности лазерного луча, отраженного от колеблющейся поверхности. Данная ме-
5
тодика позволяет легко контролировать амплитуду, частоту и спектральные характеристики возбуждающей силы, что является преимуществом по сравнению с другими экспериментальными методиками [7-10]. Эту методику удобно использовать для исследования капиллярной турбулентности на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4. Ранее турбулентность на поверхности жидкого гелия-4 экспериментально не изучалась. Жидкий гелий-4 при температурах ниже 2.17 К становится сверхтекучим и обладает чрезвычайно малой вязкостью по сравнению с классическими жидкостями, поэтому использование поверхности Не-Идля изучения капиллярной турбулентности предоставляет принципиальные преимущества по сравнению с традиционными экспериментами, например с водой.
В цели диссертационной работы входило:
1. наблюдение и изучение турбулентных спектров капиллярных волн на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4
2. исследование влияния свойств жидкости (коэффициента кинематической вязкости, коэффициента поверхностного натяжения, плотности жидкости) на положение высокочастотного края инерционного интервала
3. изучение влияния спектральной ширины накачки на характеристики спектров капиллярной турбулентности.
Для достижения этих целей требовалось решение следующих задач:
1. создание и отладка экспериментальной методики для изучения капиллярной турбулентности на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4
6
2. наблюдение турбулентных спектров капиллярных волн при разных значениях температуры жидкого гелия-4, при разных амплитудах и типах накачки
3. установление зависимости характеристик турбулентных спектров от свойств жидкости (коэффициента кинематической вязкости, коэффициента поверхностного натяжения, плотности жидкости).
Научная новизна. В данной работе впервые получены турбулентные спектры капиллярных волн на поверхности нормального и сверхтекучего гслия-4 в диапазоне температур 1.7-4.2 К. Наблюдено и объяснено новое явление - формирование локального максимума в области высоких частот в турбулентном спектре капиллярных волн на поверхности Не-П в случае гармонической накачки. Впервые экспериментально установлена зависимость частоты высокочастотного края турбулентного распределения от свойств жидкости (плотности, кинематической вязкости, коэффициента поверхностного натяжения). Детально изучено влияние спектральной ширины накачки на форму турбулентного спектра в случае капиллярной турбулентности.
Практическая ценность.В данной работе в рамках теории волновой турбулентности предложена качественная модель, описывающая условия реализации дискретного турбулентного режима. Также получена формула зависимости положения высокочастотного края инерционного интервала от амплитуды и частоты гармонической накачки и свойств жидкости. Результаты экспериментов согласуются с теоретическими оценками.