Сотрудники физического факультета и факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М.В. Ломоносова выделили три типа взаимодействия двух тороидальных вихрей и создали математическую модель, которая отслеживает все этапы этих взаимодействий.  Разработанная модель может найти применение в таких областях, как климатология, энергетика  и офтальмология. Результаты работы были опубликованы в журнале Journal of Physics: Conference Series.

Тороидальный вихрь — это явление, при котором движущийся поток газа либо жидкости «тормозит» и закручивается, образуя «бублик». Это происходит, например, когда курильщик выпускает кольцо сигаретного дыма.

Несмотря на давнюю историю исследования тороидальных вихрей, процесс их образования и взаимодействия друг с другом учёные исследовали недостаточно подробно. До сих пор физики детально не изучили такие важные характеристики, как распределение трехмерного поля скоростей, распределение плотности и температуры в вихрях в различные моменты времени при их образовании. Это связано с тем, что экспериментальное определение этих локальных характеристик вихрей довольно трудно для реализации.

В результате численных экспериментов учёные выделили три типа взаимодействия двух устойчивых тороидальных вихрей, которые зависят от массы и скорости каждого из вихрей, в разных средах. Так, может произойти поглощение одного вихря другим, после чего объединенный вихрь будет двигаться в направлении следования поглотившего. Во втором случае оба вихря могут распасться, и вместо них появятся новые вихри, которые будут двигаться в плоскости, перпендикулярной первоначальной плоскости движения. При третьем же типе направление движения каждого из вихрей сменится, и впоследствии возможно, один из них поглотит другой.

Учёные МГУ смоделировали взаимодействие вихрей

«Разработанная математическая модель позволяет подробно отследить все этапы такого взаимодействия в каждом из описанных случаев. Это, в свою очередь, позволило нам сделать выводы о процессах, которые могут развиваться при реальном столкновении вихревых структур, а также прогнозировать их последствия», — рассказал один из авторов статьи Сергей Складчиков, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории математического моделирования в физике кафедры вычислительных методов факультета вычислительной математики и кибернетики.

Учёные провели моделирование процесса формирования и взаимодействия тороидальных вихрей. Для моделирования авторы использовали уравнения неразрывности и движения Навье-Стокса и уравнение теплопроводности и состояния Менделеева-Клайперона. Также физики провели численные исследования процесса взаимодействия тороидальных вихрей.

«Разработанный программный комплекс можно применить для решения конкретных задач в разных областях человеческой деятельности, например, в нефтегазовой промышленности (тушение фонтанирующих пожаров), энергетике, исследовании климата (взаимодействие атмосферных вихрей, возможность предсказания погоды и других природных катаклизмов устойчивой структуры), разработке нелетального оружия, офтальмологии», — заключил учёный.