Вихри на свободной поверхности слоя нормального гелия He-I в широкой ячейке

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Возникновение термогравитационного конвективного течения в объеме слоя нормального жидкого гелия He-I глубиной h ≈ (1 - 3) см в широкой цилиндрической ячейке, который подогревают сверху в поле силы тяжести в интервале температур Tλ ≤ T ≤ Tm, сопровождается возбуждением вихревого течения на свободной поверхности жидкости. Здесь Tλ = 2.1768 К - температура перехода жидкого 4He из сверхтекучего He-II в нормальное He-I состояние при давлении насыщенных паров, Tm ≈ 2.183 К - температура, при которой плотность He-I проходит через максимум. Конвекция в объеме служит источником энергии, накачиваемой в вихревую систему на поверхности He-I. Нелинейное взаимодействие вихрей наповерхности между собой и с конвективными вихревыми течениями в объеме слоя приводит к формированию на поверхности He-I двух крупномасштабных вихрей (вихревого диполя), размеры которых ограничиваются диаметром рабочей ячейки и в несколько раз превосходят глубину слоя. Это соответствует переходу со временем от режима вихревого течения на «глубокой воде» (вихри на поверхности трехмерного слоя жидкости) к вихрям на поверхности «мелкой воды» (вихри на поверхности двумерного слоя). При дальнейшем подогреве слоя выше Tm конвективные потоки в объеме быстро затухают, однако вихревое движение на поверхности двумерного слоя He-I сохраняется. В отсутствие накачки энергии из объема полная энергия вихревой системы на поверхности слоя «мелкой воды» со временем затухает по закону, близкому к степенному, вследствие нелинейного взаимодействия крупномасштабных вихрей между собой и трения о стенки ячейки. В результате, при длительных наблюдениях, на поверхности He-I вновь начинают преобладать мелкомасштабные вихри, размеры которых сравнимы или меньше глубины слоя, что соответствует переходу от двумерного к трехмерному слою жидкости. Энергия вихревого течения на поверхности слоя «глубокой воды» затухает по закону, близкому к экспоненциальному. Таким образом, длительные наблюдения за динамическими явлениями на свободной поверхности слоя He-I глубиной порядка нескольких сантиметров в широком интервале температур выше Tλ позволили впервые в одном эксперименте изучать возбуждение, эволюцию и затухание вихревых течений на поверхности слоя«глубокой» и «мелкой воды».

Об авторах

А. А Левченко

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук;Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук

Email: pelmenevaa@gmail.com
142432, Chernogolovka, Moscow oblast, Russia; 142432, Moscow, Russia

Л. П Межов-деглин

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук; Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук

Email: pelmenevaa@gmail.com
142432, Chernogolovka, Moscow oblast, Russia; 142432, Moscow, Russia

А. А Пельменёв

Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук;Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук;Филиал Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук в г. Черноголовке

Автор, ответственный за переписку.
Email: pelmenevaa@gmail.com
142432, Chernogolovka, Moscow oblast, Russia; 142432, Moscow, Russia; 142432, Chernogolovka, Moscow oblast, Russia

Список литературы

  1. А. А. Пельменев, А. А. Левченко, Л. П. Межов-Деглин,·Письма в ЖЭТФ 110, 545 (2019)
  2. A. A. Pel'menev, A. A. Levchenko, and L. P. Mezhov-Deglin, JETP Lett. 110, 551 (2019); doi: 10.1134/S0370274X19200062.
  3. A.A. Pelmenev, A. A. Levchenko, and L. P. Mezhov-Deglin, Low Temp. Phys. 46, 133 (2020); doi: 10.1063/10.0000531
  4. A. A. Pelmenev, A. A. Levchenko, and L. P. Mezhov-Deglin, J. of Low Temp. Phys. 205, 200 (2021); doi: 10.1007/S10909-021-02632-5.
  5. A. A. Pelmenev, A. A. Levchenko, and L. P. Mezhov-Deglin, Materials 14, 7514 (2021); doi: 10.3390/ma14247514.
  6. R. J. Donnelly and C. F. Barenghi, J. Phys. Chem. Ref. Data 27, 1217 (1998); doi: 10.1063/1.556028
  7. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теоретическая Физика, том VI, Гидродинамика, Москва, Физматлит (2017)
  8. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Course of Theoretical Physics, Fluid Mechanics, Pergamon: New York, NY, USA, Vol. 6 (1987).
  9. А. В. Гетлинг, Конвекция Рэлея-Бенара. Структуры и динамика, Едиториал УРСС URSS, (1999), 248 ISBN 5-8360-0011-5
  10. A. V. Getling, Rayleigh-Benard Convection. Structures and Dynamics, Advanced Series in Nonlinear Dynamics, World Scienti c, (1998), Vol. 11.
  11. G. Ahlers, S. Grossmann, and D. Lohse, Rev. Mod. Phys., 81, 503 (2009); doi: 10.1103/RevModPhys.81.503.
  12. F. Chilla and J Schumacher, Eur. Phys. J. E 35, 58 (2012).
  13. P. E. Roche, J. New, Phys. 22, 073056 (2020).
  14. S. Moller, C. Resagk, and C. Cierpka, Exp. Fluids 62, 1 (2021); doi: 10.1017/jfm.2021.619.
  15. Ping Wei, J. Fluid Mech. 924, A28 (2021); doi: 10.1017/jfm.2021.619.
  16. J. J. Niemela and R. J. Donnelly, J. Low Temp Phys 98, 1 (1995); doi: 10.1007/BF00754064.
  17. Д. В. Любимов, Т. П. Любимова, A. A. Черепанов, Динамика поверхностей раздела, Физмалит, Москва (2003), c.216.
  18. R. W. Walden and G. Ahlers, J. Fluid Mech. 109, 89 (1981); doi: 10.1017/S0022112081000955.
  19. A. Sameen, R. Verzicco, and K. R. Sreenivasan, Phys. Scr. 132, 014053 (2008); doi: 10.1088/0031-8949/2008/T132/014053.
  20. S. Weiss, Xiaozhou He, G. Ahlers et al., J. Fluid Mech. 851, 374. (2018); doi: 10.1017/jfm.2018.507.
  21. Hiu Fai Yik, V. Valori, and S. Weiss, Phys. Rev. Fluids 5, 103502 (2020); doi: 10.1103/PhysRevFluids.5.103502.
  22. V. M. Parfenyev, S. V. Filatov, M. Yu. Brazhnikov et al., Phys. Rev. Fluids 4, 114701 (2019). doi: 10.1103/PhysRevFluids.4.114701.
  23. S. V. Filatov and A. A. Levchenko, J. of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques 14, 751 (2020); doi: 10.1134/s1027451020040072.
  24. S. Filatov, A. Levchenko, A. Likhter et al., Mater. Lett. 254, 444 (2019); doi: 10.1016/j.matlet.2019.07.059.
  25. С. В. Филатов, А. А. Левченко, Л. П. Межов-Деглин, Письма в ЖЭТФ 111, 653 (2020); doi: 10.31857/S1234567820100031
  26. S.V. Filatov, A.A. Levchenko, and L.P. Mezhov-Deglin, JETP Lett. 11, 549 (2020).
  27. А. А. Левченко, Л. П. Межов-Деглин, А. А. Пельменев, ПТЭ 6, 133 (2016); doi: 10.7868/S0032816216060264.
  28. A. A. Levchenko, E. V. Lebedeva, L. P. Mezhov-Deglin et al., Low Temp. Phys. 45, 469 (2019); doi: 10.1063/1.5097354.
  29. Е. В. Лебедева, А. М. Дюгаев, П. Д. Григорьев, ЖЭТФ, 161, 1 (2022); doi: 10.31857/S0044451022050157.
  30. С. В. Филатов, А. А. Левченко, М. Ю. Бражников и др., ПТЭ 5 135 (2018); doi: 10.1134/S0020441218040188
  31. S. V. Filatov, A. A. Levchenko, M. Yu. Brazhnikov et al., Instruments and Experimental Techniques, 61, 757 (2018); doi: 10.1134/S0032816218040201.
  32. Zhen-Hua Wan, Ping Wei, R. Verzicco et al., J. Fluid Mech. 881, 218 (2019); doi: 10.1017/jfm.2019.770.
  33. V.Srinivasan, U.Madanan, and R.J.Goldstein, Int. J. of Heat and Mass Transfer 182, 121965 (2022); doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121965.
  34. P. Urban, P. Hanzelka, T. Kralik et al., Phys. Rev. E 99 011101(R) (2019); doi: 10.1103/PhysRevE.99.011101.
  35. В. П. Пешков, А. П. Боровиков, ЖЭТФ 50, 844 (1966)
  36. V.P. Peshkov, A. P. Borovikov, Sov. Phys. JETP 23, 559 (1966).
  37. Л. П. Межов-Деглин, ЖЭТФ 71, 1453 (1976)
  38. L.P. Mezhov-Deglin, Sov. Phys. JETP, 44, 761 (1976).
  39. B. Baudouy and A. Four, Cryogenics 60, 1 (2014).
  40. M, Thielicke and E.J Stamhuis, J. of Open Research Software, http://openresearchsoftware.metajnl.com/articles/10.5334/jors. doi: 10.5334/jors.bl.
  41. J. J. Niemela and K. R. Sreenivasan, J. Low Temp. Phys. 143, 163 (2006); doi: 10.1007/s10909-006-9221- 9.
  42. R. Colombi, N. Rohde, M. Schuter et al., Fluids 7, 148 (2022). doi: 10.3390/ uids7050148.
  43. С. В. Филатов, Д. А. Храмов, А. А. Левченко, Письма в ЖЭТФ 106, 305 (2017); doi: 10.7868/S0370274X1717009X.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023