The flow structure in a laboratory model of atmospheric general circulation

Abstract

Представлены первые результаты математического моделирования в постановке, приближенной к новой лабораторной модели общей циркуляции атмосферы. Рассматривается вращающийся слой жидкости с малым аспектным отношением при наличии локализованного кольцевого нагревателя, расположенного на периферии дна, и холодильника в форме диска, который находится в центральной части верхней границы слоя. Кольцевой нагреватель имитирует нагрев в области экватора, а холодильникохлаждение в полярной области. Нагреватель отодвинут от боковой стенки для минимизации ее влияния на формирование течений. В верхней части слоя жидкости реализуются зональные течения (аналоги восточных и западных ветров), характерные для экваториальной области. Получено хорошее качественное согласование экспериментальных и численных результатов. Основной целью проведенных расчетов было определение средней структуры течений в осесимметричном и волновом режимах. Обнаружено, что в осесимметричном режиме реализуется меридиональная циркуляция аналогичная циркуляции Хэдли со сравнительно низким уровнем пульсаций скорости. Увеличение скорости вращения приводит к формированию неустойчивых бароклинных волн и существенному изменению структуры меридиональной циркуляции. Интенсивность и структура бароклинных волновых движений в значительной степени обуславливается интенсивностью нагрева. Впервые показано, что в лабораторной модели при относительно малом значении термического числа Россби возможна реализация меридиональной циркуляции со структурой, подобной общей циркуляции атмосферы, состоящей из аналогов ячейки Хэдли, ячейки Ферреля и полярной ячейки. Это подтверждает перспективность использования новой лабораторной модели общей циркуляции атмосферы для выявления ключевых факторов, определяющих структуру и динамику крупномасштабных атмосферных течений.

The impact of polar warming on global atmospheric circulation and mid-latitude baroclinic waves

“…An effective way to solve this problem is numerical simulation using a digital "twin" of the laboratory model. This has already been demonstrated with the mathematical model implemented by the freely distributed computational fluid dynamics package OpenFOAM v2106 (Vasiliev et al, 2023). In the present study, 125 the mathematical model of the laboratory system implemented by the in-house CFD code σFlow was used for numerical simulations.…”

“…A detailed description of the laboratory model of general atmosphere circulation is given in (Sukhanovskii et al, 2023;Vasiliev et al, 2023). The experimental model is a rectangular tank of a square cross-section with a side L = 700 mm, and height H = 200 mm (figure 2).…”

“…It is unclear whether this scenario is a robust and intrinsic feature of baroclinic waves in rotating tanks with horizontal temperature difference or a specific feature of a particular laboratory realization in the annulus configuration. In order to resolve this issue, we conducted a series of experiments and numerical simulations for the Arctic warming scenario in the dishpan configuration (Sukhanovskii et al, 2023;Vasiliev et al, 2023). The combined laboratory and numerical approach allow to reveal qualitative and quantitative aspects of the complex system under consideration.…”

“…Boundary conditions of the second type (constant heat flux) are chosen because they are more realistic for the atmosphere. This configuration allows one to realize a variety of flow regimes from axisymmetric to highly irregular (Sukhanovskii et al, 2023;Vasiliev et al, 2023). Motivated by the problem of Arctic warming we examine how central cooling affects the structure and characteristics of the flow, which is similar to the typical atmospheric circulation.…”