В 1942 году Людвиг Прандтль, которого считают отцом современной аэродинамики, опубликовал «Führer durch die Strömungslehre», первую книгу своего времени по гидромеханике, которая была переведена на английский язык с немецкого языка в 1952 году как «Essentials of Fluid». Механика». Книга имела уникальный успех, так что ученики Прандтля продолжали поддерживать и развивать книгу, добавляя новые открытия после его смерти. Сегодня эта работа доступна под исправленным названием «Прандтль - Основы гидромеханики» как расширенная и исправленная версия оригинальной книги, в которую внесли вклад ведущие исследователи в области гидромеханики.
На протяжении многих лет последние три страницы оригинальной книги Прандтля, посвященные ветрам в горах и долинах, привлекали некоторое внимание метеорологического исследовательского сообщества, но конкретные страницы в значительной степени упускались из виду сообществом гидромехаников. отметить, что содержание и точные математические решения исчезли в текущей расширенной версии книги. Но сегодня, в эпоху суперкомпьютеров, Инанк Сеночак, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Школе инженерии Суонсона Университета Питтсбурга, находит новые идеи в оригинальной работе Прандтля, имеющие важное значение для прогнозирования погоды в ночное время в гористой местности.
Drs. Сеночак и Ченг-Нянь Сяо, научный сотрудник лаборатории доктора Сенокака, недавно написали статью под названием «Устойчивость модели Прандтля для катабатических наклонных течений», опубликованную в Journal of Fluid Mechanics. Исследователи использовали как линейную теорию устойчивости, так и прямое численное моделирование, чтобы впервые выявить неустойчивость жидкости в модели Прандтля для стоковых склоновых течений.
Катабатические склоновые потоки - это ветры, движимые гравитацией, распространенные над большими ледяными щитами или в ночное время на горных склонах, где холодный воздух течет вниз по склону. Понимание этих ветров жизненно важно для надежных прогнозов погоды, которые важны для качества воздуха, авиации и сельского хозяйства. Но сложность рельефа, расслоение атмосферы и турбулентность жидкости затрудняют компьютерное моделирование ветров вокруг гор. Поскольку модель Прандтля не устанавливает условий, при которых склоновый поток становится турбулентным, этот недостаток затрудняет, например, прогнозирование погоды в районе вокруг Солт-Лейк-Сити в Юте, где длительные инверсии области создают сложную среду для воздуха. качество.
«Теперь, когда у нас есть более мощные суперкомпьютеры, мы можем улучшить сложность местности с лучшим пространственным разрешением в математической модели», - говорит доктор Сеночак. «Однако численные модели прогнозирования погоды по-прежнему используют упрощенные модели, созданные в то время, когда вычислительных мощностей было недостаточно."
Исследователи обнаружили, что, хотя модель Прандтля склонна к уникальным нестабильностям жидкости, которые возникают как функция угла наклона и нового безразмерного числа, они назвали параметр возмущения стратификации мерой возмущения фона. расслоение атмосферы из-за охлаждения у поверхности. Понятие безразмерных чисел, например числа Рейнольдса, играет важную роль в тепловых и гидрологических науках в целом, поскольку они отражают суть конкурирующих процессов в задаче.
Важным следствием их открытия является то, что для данной жидкости, такой как воздух, динамическая устойчивость стоковых склоновых течений не может быть просто определена одним единственным безразмерным параметром, таким как число Ричардсона, как это практикуется в настоящее время в сообщество метеорологов и гидродинамиков. Число Ричардсона выражает отношение плавучести к сдвигу ветра и обычно используется в прогнозировании погоды, исследовании течений в океанах, озерах и водохранилищах, а также при измерении ожидаемой турбулентности воздуха в авиации.
«Всеобъемлющая концепция отсутствовала, и число Ричардсона было запасным вариантом», - говорит доктор Сенокак. «Мы не говорим, что число Ричардсона не имеет значения, но когда гора или долина защищены от крупномасштабных погодных движений, они не участвуют в общей картине. Теперь у нас есть лучший способ объяснить теорию этих нисходящих по склону и вниз по долине течет."
Это открытие будет иметь не только важное значение для сельского хозяйства, авиации и прогнозирования погоды, по словам доктора Сеночака, но также будет иметь жизненно важное значение для исследований изменения климата и связанного с ним повышения уровня моря, поскольку точное предсказание стокового приземного ветра профили над большими ледяными щитами и ледниками имеет решающее значение для энергетического баланса таяния льда. Он отмечает, что даже в сообществе специалистов по гидродинамике ожидается, что открытие этого нового удивительного типа неустойчивости вызовет большой исследовательский интерес.
Затем д-р Сенокак консультирует и спонсирует команду старших дизайнеров, чтобы выяснить, могут ли исследователи на самом деле наблюдать эти нестабильности жидкости в лаборатории в масштабе, намного меньшем, чем гора.
Доклад был опубликован в Интернете в феврале и появится в печати 25 апреля 2019 года.