В данной работе явления параметрического возбуждения и локализации в распределенных нелинейных системах изучаются на примере тепловой конвекции в пористой среде. Тепловая конвекция в пористых средах представляет интерес как в связи с прикладными задачами, связанными с технологическими (например, охлаждение реакторов, фильтрация) и природными процессами (например, течения грунтовых вод), так и с точки зрения математической физики (например, явление косимметрии [1,2,3]).
В задачах о течении жидкости через пористую среду необходимо иметь дело со сложной пористой структурой среды и тем, как эта структура влияет на процессы теплои массопереноса (в том числе, диффузии в случае смесей). В обощем случае механизмы этих процессов зависят как от деформируемости твердого скелета, так и от его геометрии, которая может быть как упорядоченной, так и неупорядоченной (подробное освещение как этого, так и многих других вопросов можно найти, например, в книге [4]). Из двух классов неупорядоченных сред: (1) микроскопически неупорядоченных, но макроскопически однородных и (2) микроскопически неупорядоченных и макроскопически неоднородных — в задачах, представленных в данной диссертации, рассматриваются среды первого типа, причем скелет будет также полагаться макроскопически изотропным и недеформируемым.
Закон Дарси. При протекании однофазной жидкости через макроскопически однородную изотропную пористую среду во многих реалистичных ситуациях инерционные эффекты несущественны и справедлив закон Дарси:
1.1) где (у^, rj и р — скорость фильтрации, динамическая вязкость и плотность жидкости, соответственно, К — проницаемость, Р — давление и д — поле массовых сил. Одномерная версия этого уравнения была открыта Дарси экспериментально в 1856 году. Один из примеров строгого теоретического вывода этого закона можно найти в работе [5], где окончательный результат, приведенный в тензорном виде:
— для случая макроскопически изотропной среды принимает вид (1.1).
Использование уравнения (1.1) в качестве закона сохранения импульса понижает порядок дифференциальных уравнений относительно производных по пространственным координатам по сравнению со случаем течений в однородной вязкой жидкости (без твердого скелета). Это находит свое отражение, в том числе, и в изменении граничных условий для поля скорости (например, см. [4]), когда, кроме прочего, условие прилипания на твердой границе теряет смысл, поскольку жидкость точно также прилипает и к стенкам твердого скелета во всем объеме пористой среды.
Тепловая конвекция в слое пористой среды. В диссертации рассматриваются задачи, касающиеся тепловой (либо термоконцентрационной) конвекции в горизонтальном слое пористой среды при вертикальном градиенте температуры в основном состоянии, и настоящий обзор не касается смежных задач (например, о тепловой конвекции в наклонных слоях).
Впервые задача о возникновении тепловой конвекции в слое пористой среды рассматривалась в работе [6], где, фактически, полагались непроницаемые изотермические границы. Затем в работе [7] был рассмотрен другой вариант граничных условий, соответствующий тому, что поверх насыщенного жидкостью пористого слоя налита свободная жидкость. В этом случае верхняя граница становится проницаемой для жидкости, а горизонтальная компонента гра.
1.2) диента давления на верхней границе обращается в ноль. Такое «смягчение» граничных условий ожидаемо приводит к понижению порога возбуждения тепловой конвекции и увеличению длины волны критических возмущений.
Для проверки теоретических предсказаний работы [6] было предпринято первое экспериментальное исследование возникновения конвекции в горизонтальном пористом слое [8]. В опытах использовались слои песка, насыщенного различными жидкостями: водой, растворами глицерина, четыреххлористым углеродом. Результаты этих экспериментов отличались от теоретических предсказаний на порядок, хотя качественно зависимость критического градиента температуры от параметров воспроизводилась. Это расхождение было связано с указанной авторами существенной зависимостью вязкости от температуры (разности температур в слое были очень велики), а также некорректным определением температуропроводности системы. Попытки учета зависимости вязкости от температуры и нелинейности профиля температуры привели к некоторому улучшению соответствия теории и эксперимента [9,10], но определение температуропроводности исправлено не было.
В итоге, более аккуратное экспериментальное исследование данного явления (при корректном определении температуропроводности) было проведено в работе [11] и дало результаты, хорошо согласующиеся с теорией.
Здесь следует отметить, что задача о возникновении тепловой конвекции в пористой среде при вертикальном градиенте температуры в основном состоянии существенно зависит от геометрии области: для слоя и горизонтального цилиндра задачи о возбуждении двухмерных конвективных движений при изотермических непроницаемых границах существенно отличаются. Дело в том, что во втором случае в системе имеется косимметрия [1,3], в результате чего при потере устойчивости состояния механического равновесия возникает не конечное количество стационарных решений, а непрерывное однопараметриче-ское множество. Несмотря на то, что нарушение строгой вертикальности градиента температуры в основном состоянии, однородности системы вдоль одного из горизонтальных направлений, неидеальная изотермичность границ и некоторые другие осложняющие факторы должны в реальных системах снимать вырождение, связанное с косимметрией, и разрушать множество стационарных решений, возникновение этого множества удалось пронаблюдать экспериментально [2]. Поведение системы при слабых нарушениях косимметрии также рассмотрено, например, в работах [2,12].
Термоконцентрационная конвекция в слое пористой среды. При конвекции бинарных смесей в пористой среде как и для однокомпонентной жидкости, возможна монотонная неустойчивость стратифицированного состояния, но, дополнительно к тому, конкуренция теплового и концентрационного механизмов неустойчивости может приводить к возникновению колебательной неустойчивости [13,14].
Эффект Соре (термодиффузия, [15]), особенно важный в газах, способен существенным образом влиять на термоконцентрационную конвекцию. В связи с этим имеет смысл выделить две группы задач: (1) задачи о конвекции при двойной диффузии (double diffusion), в которых не учитывается термодиффузия, т. е. влияние составляющей потока концентрации, индуцированной неоднородностью нагрева- (2) задачи с учетом эффекта Соре.
Ранние исследования конвекции при двойной диффузии в пористой среде были сосредоточены главным образом на задаче о возбуждении конвекции в горизонтальном слое. В работах [13,14,16,17,18,19] для исследования возникновения термохалиновой (thermohaline) конвекции производился линейный анализ устойчивости стратифицированного состояния. Критерии возникновения монотонного и колебательного движений были получены авторами этих работ в различных вариантах постановки задачи: для различных граничных условий и моделей жидкости.
Конечно-амплитудная термохалиновая конвекция исследовалась в работе [20], где для предсказания зависимости чисел Нуссельта и Шервуда от управляющих параметров использовались усеченные разложения в ряды Фурье. Комбинированное аналитическое и численное исследование массопереноса конвекцией Бенара при больших числах Рэлея представлено в работе [21], где суммарный массоперенос предсказывался авторами в терминах трех различных законов скейлинга. Работа [22] посвящена исследованию пальцеобразования при двухмерной конвекции, связанной с двойной диффузией, в горизонтальном слое с заданным пространственным периодом структуры (приняты периодические боковые граничные условия). На плоскости теплового и концентрационного чисел Рэлея были найдены границы устойчивости, разделяющие области параметров с различными типами конвективного движения (стационарное паль-цеобразование, периодическая конвекция, нерегулярная конвекция). Недавно, обусловленная двойной диффузией конвекция в горизонтальном слое пористой среды исследовалась в работе [23] при вертикальном градиенте температуры и концентрации в основном состоянии. Неустойчивости к монотонным и колебательным возмущениям были исследованы аналитически в рамках линейной и нелинейной теорий возмущений, и была предсказана возможность жесткого возбуждения конвективных движений.
В задачах о термоконцентрационной конвекции с учетом эффекта Соре градиенты концентрации компонент в стратифицированном состоянии не навязываются особыми граничными условиями для концентрации, как при двойной диффузии, а обычно являются следствием навязанного градиента температуры и эффекта термодиффузии, в отсутствии которого концентрация была бы однородной. В работах [24,25] исследовано влияние сил концентрационной плавучести, вызванных эффектом Соре, на конвективную неустойчивость жидкой смеси в пористой среде при подогреве, обеспечиваемом изотермическими граничными условиями. Были получены результаты, касающиеся возбуждения конвективных движений и нелинейных режимов конвекции. Было показано, что количество независимых параметров, определяющих поведение системы, может быть сокращено: достаточно числа Рэлея и отношения плавучести. Было показано, что в зависимости от величины и знака отношения плавучести потеря устойчивости стратифицированного состояния может происходить в первую очередь либо монотонно, либо колебательно. Та же задача была рассмотрена в работе [18] с учетом не только эффекта Соре, но и термодинамически сопряженного ему диффузионного термоэффекта Дюфора (поток тепла индуцируется неоднородностью концентрации). Влияние эффекта Соре на линейную устойчивость жидкой смеси в пористой среде при периодически меняющемся со временем градиенте температуры было исследовано в работе [26]. Авторами определялся порог возбуждения двухмерной конвекции как для колебательной, так и для монотонной мод. Позже возбуждение конвекции, вызванной эффектом Соре, в бесконечном горизонтальном слое, подогреваемом изотермически снизу и сверху, было рассмотрено в работе [27]. Порог линейной устойчивости определялся в терминах отношения плавучести, числа Льюиса и нормированной пористости среды. Аналитически и численно было получено, что в зависимости от отношения плавучести состояние механического равновесия теряет устойчивость либо через вилочную бифуркацию, либо через бифуркацию Хоп-фа.
Наиболее близкой задачам первой и второй глав оказывается работа [28], где аналитически и численно исследуется конвекция бинарной смеси в горизонтальном слое пористой среды. В этой работе полагаются заданный тепловой поток через горизонтальные границы и адиабатические непроницаемые боковые границы (рассматриваются большие аспектные соотношения, делающие эту задачу эквивалентной задаче о конвекции в слое). Рассматриваются два способа создания неоднородностей концентрации: (1) навязывание постоянного потока примеси через горизонтальные границы в случае двойной диффузии или (2) за счет неоднородностей поля температуры при учете эффекта Соре. Рассмотрена линейная устойчивость стратифицированного состояния в слое. Определены пороги возбуждения конечно-амплитудных стационарных и колебательных конвективных течений. В приближении плоскопараллельного течения найдены аналитические решения уравнений в стационарном случае (исходно рассматриваемая система ограничена в горизонтальном направлении, и плоскопараллельное течение реализуется только вдали от боковых границ). На основе этих аналитических результатов оцениваются критические значения числа Рэ-лея для мягкого и жесткого возбуждения конвекции. Для установления точки бифуркации Хопфа исследуется линейная устойчивость плоскопараллельных течений. Представленные в работе результаты численного интегрирования полной нелинейной системы уравнений конвекции бинарной смеси хорошо согласуются с аналитическими результатами.
В контексте исследований, проведенных в первой и второй главах диссертации, следует отметить, что в работе [96] для длинноволновых возмущений была выявлена пропорциональность характерных времен эволюции квадрату длины волны возмущений. В свете этого становится очевидным, что при рассмотрении плоскопараллельных течений, соответствующих бесконечной длине волны, невозможно отличить решения, являющиеся предельным случаем колебательных возмущений, от решений, соответствующих монотонным возмущениям. Это накладывает существенные ограничения на информативность результатов, приведенных в работе [28] в связи с плоскопараллельным приближением.
Кроме того, в работе [28] задача о линейной устойчивости состояния механического равновесия решена до конца лишь для случая двойной диффузии, но не для случая конвекции, вызнаной эффектом Соре.
Для полноты представления о положении исследований в данной области имеет смысл упомянуть работы [29,30,31,32,33], независимо появившиеся после подготовки работы [96]. В работе [29] сопоставляются результаты исследований, аналогичных [28,30] ([30] можно рассматривать как продолжение [28], покрываемое работой [29]), для конвекции в отсутствие твердого скелета и в пористой среде, проводится до конца анализ линейной устойчивости состояния механического равновесия при эффекте Соре, незавершенный в [28], и отмечается (как и в [96]) рост характерных времен эволюции возмущений по мере роста их длины волны. Однако, для аналитического исследования в этой и остальных процитированных здесь работах по-прежнему используется приближение плоскопараллельного течения. В работах [31,32] по сравнению с [28,30] рассматривается случай неплотной упаковки пористого скелетапри этом в [31] верхняя граница слоя полагается свободной, а в [32] - непроницаемой. В работе [33] проводится сравнительное исследование влияния эффекта Соре на течения и процессы теплои массопереноса при различных граничных условиях для течений: свободных и непроницаемых границах.
Длинноволновое приближение. При фиксированном тепловом потоке через границы горизонтального слоя оказывается возможна длинноволновая конвективная неустойчивость состояния механического равновесия как в случае пористой среды, так и в однородной жидкости (см., например, [4,34,35]). В некоторых обстоятельствах длинноволновые возмущения могут быть критическими. Причем длинноволновая неустойчивость сохраняется и при термоконцентрационной конвекции, когда при фиксированном тепловом потоке дополнительно либо навязывается заданный поток примеси при двойной диффузии, либо непроницаемые для примеси граничные условия при термоконцентрационной конвекции, вызванной эффектом Соре (как это, например, было показано в работах [28,29,30,31,32,33,96]).
Помимо приближения плоскопараллельного течения, об использовании которого в цитируемых здесь работах уже упоминалось, для описания длинноволновой конвекции можно строить приближенные теории, учитывающие конечность длины волны возмущений и позволяющие отследить эволюцию длинноволновых структур. В работе [36] исследуется отбор структур при околокритической длинноволновой тепловой конвекции в слое однородной жидкостиподобные же уравнения описывают конвекцию в слое турбулентной жидкости [37].
В первой и второй главах данной диссертации выводятся и используются уравнения длинноволновой термоконцентрационной конвекции, вызванной эффектом Соре, в слое пористой среды при заданном вертикальном потоке тепла через слой [96,97]. Причем, в отличие от, например, работ [36,37], используемые уравнения справедливы при произвольной, а не малой надкритичности. Для подтверждения обоснованности использования длинноволнового приближения в первой главе исследуется линейная устойчивость стратифицированного состояния по отношению к возмущениям произвольной длины волны. В результате, для монотонной моды доказывается строго, а для колебательной демонстрируется, что длинноволновые возмущения всегда являются наиболее опасными.
Параметрическое возбуяедение термоконцентрационной конвекции.
В связи с колебательной модой термоконцентрационной неустойчивости, вызванной эффектом Соре, представляет интерес параметрическое возбуждение конвекции. Причем, поскольку характерные времена эволюции возмущений пропорциональны квадрату длины волны, для длинноволновых возмущений резонансными оказываются медленные частоты, которые и рассматриваются в первой главе диссертации.
Вибрационное воздействие на гидродинамические системы (включая термоконвективные) имеет самые разнообразные приложения: например, вибрационный контроль процессов теплои массопереноса в теплообменниках, смесителях, сепараторах минеральных веществ и системах для выращивания кристаллов. Эти приложения обусловили большой теоретический интерес к задачам о тепловой конвекции при периодической модуляции параметров во времени (например, вибрациях) и множество работ. Общее представление об исследованиях в данной области можно составить на основе, в первую очередь, монографии [38], а основные ранние исследования такого типа отражены, например, в обзоре [39] и монографиях [34,35].
Среди более поздних и близких к задачам, представленным в данной диссертации, работ следует остановиться на работах, посвященных исследованию влияния модуляции параметров на термоконцентрационную конвекцию в горизонтальном слое [40,41,42,43]. В работе [40] исследуется возникновение термоконцентрационной конвекции, вызванной двойной диффузией, в слое пористой среды, температура верхней границы которого периодически меняется во времени. С использованием теории Флоке показано, что модуляция может понижать критическое значение теплового числа Рэлея. Однако, ни при каких из рассматривавшихся значений параметров модуляция нагрева не приводила к стабилизации стратифицированного состояния.
В работе [41] рассматривается влияние высокочастотных вертикальных вибраций на конвекцию, обусловленную двойной диффузией, в двухмерной прямоугольной полости с фиксированными разностями температуры и концентрации между горизонтальными границами. Определены границы линейной устойчивости стратифицированного состояния по отношению к монотонным и колебательным возмущениям. В отличие от модуляции нагрева [40], модуляция силы тяжести может как понижать порог возбуждения конвективных движений при одних значениях параметров, так и повышать его при других. Также проанализировано влияние вибраций на структуру течений вблизи бифуркации. Определено, в каких диапазонах параметров возбуждение конвекции происходит жестко, а в каких — мягко. Для проверки и иллюстрации аналитических результатов было произведено прямое численное моделирование.
Авторы работы [42] вновь возвращаются к линейному анализу устойчивости стратифицированного состояния в задаче о периодической модуляции температуры границы пористой среды, насыщенной бинарной смесью. Однако, в этой работе рассматривается анизотропная пористая среда и учитываются инерционные слагаемые в законе сохранения импульса. При малых амплитудах и умеренных частотах модуляции критические число Рэлея и волновой вектор вычисляются аналитически. Обнаружено, что соответствующим выбором частоты модуляции можно как понизить, так и повысить порог линейной устойчивости системы.
Единственной работой (помимо [96]), в которой рассматривается термоконцентрационная конвекция, вызванная эффектом Соре, в пористой среде при модуляции параметров, является работа [43]. В этой работе вибрационное воздействие полагается высокочастотным. Аналитическое и численное исследования выявили, что вертикальные вибрации оказывают стабилизирующее воздействие как на монотонную, так и на колебательную моды неустойчивости стратифицированного состояния, а горизонтальные — дестабилизирующее.
Таким образом, вопрос о резонансном параметрическом возбуждении термоконцентрационной конвекции, вызванной эффектом Соре, в пористой среде, не освещен в доступной литературе.
Источниковые решения. В связи с тепловой конвекцией особый интерес вызывает развитие конвективных течений от локализованных источников тепла. Для однородной жидкости в различных вариантах постановки задачи рассматривался конвективный факел как от точечного источника в бесконечной среде, так и от горизонтального линейного. Среди недавних работ, представляющих интересные результаты и краткие обзоры состояния исследований соответствующих проблем, можно отметить работы [44,45], где рассматривается конвективный факел при малых числах Грасгофа около точечного/сферического и линейного/цилиндрического источников тепла, соответственно, и работу [46], где рассматривается линейный источник тепла при числах Рэлея в диапазоне 104−108.
Исследования конвективного факела от точечного или линейного источника тепла в неограниченном массиве пористой среды впервые было представлено в работе [47]. В приближении пограничного слоя были получены самоподобные стационарные решения, предполагавшие достаточно большие значения числа Рэлея. Вопрос об обоснованности погранслойного приближения для задачи такого типа был подвергнут ревизии в [48]. Позже, в работе [49] было продемонстрировано, что, несмотря на критику, приведенную в [48], погранс-лойное приближение может быть использовано для исследования термоконвективных течений от точечного источника тепла в пористой среде. Самоподобные решения задачи об осесимметричном конвективном факеле в пористой среде, полученные в погранслойном приближении, представлены также в [50], а конвекция от горизонтального линейного источника была дополнительно аналитически исследована в работе [51]. В связи с тем, что при больших числах Рей-нольдса, связанных с масштабом пор, приближение Дарси становится недействительным, в работе [52] для описания конвекции от точечного источника тепла использована модель Форхаймера. В работе [53] рассматривается как свободная, так и вынужденная конвекция в окрестности линейного источника тепла или нагреваемого цилиндра.
Единственной работой, посвященной термоконцентрационной конвекции от источника тепла в пористой среде, является работа [54], в которой рассматривается двойная диффузия вокруг горизонтального линейного источника в неограниченном объеме.
В работе [97] рассматриваются источниковые течения другого типа — это течения от локализованного источника тепла или примеси в тонком слое пористой среды, а не в неограниченном пространстве. Причем, эффективно, благодаря конвективной неустойчивости, процессы переноса, исследуемые в [97], могут рассматриваться как процессы в активной среде, в то время, как в приведенных выше примерах среда всегда диссипативная. Соответствующему исследованию посвящена вторая глава диссертации. Можно также отметить, что оказывающиеся возможными режимы течения, при которых области длинноволнового течения вблизи источника и на бесконечности разделены кольцами коротковолнового переходного течения, не являются уникальными в своем роде. Другим примером такого рода локализованных переходных режимов течения является гидравлический скачок, возникающий при растекании струи жидкости по горизонтальной поверхности [55].
Локализация течений в горизонтальном слое при случайно неоднородном нагреве. Впервые локализация решений при случайной пространственной модуляции параметров распределенной системы рассматривалась в квантово-механических системах. А именно, Андерсон (Anderson) в работе [56] рассматривал теоретическую модель, описывавшую такие проблемы, как диффузия спинов, наблюдавшаяся в экспериментах [57] (в меньшей степени, теория Андерсона отвечала исследованиям [58,59]), или проводимость (последняя проблема затрагивается в контексте возможности возникновения связанных состояний электронов) в полупроводниках при наличии случайно распределенных примесей. В связи с этим, за эффектами локализации в системах со случайной модуляцией параметров закрепилось название «локализация Андерсона» .
Классическим вариантом математической постановки задачи о локализации Андерсона является пространственно-дискретное уравнение Шредингера для частицы в случайном потенциале:
-(А^+и^^ЕЦ, (1.3) где j — вектор, компонентами которого являются целые числа, ф-, — амплитуда волновой функции электрона в окрестности jго узла кристаллической решетки, Ad — дискретный оператор Лапласа в пространстве соответствующей размерности, U-j — потенциал кристаллической решетки, полагается случайной гауссовской величиной, значения в соседних узлах независимы, Е — энергия данного состояния электрона. Аккуратное математическое исследование локализации решений задачи (1.3) может быть найдено в работе [60]. Среди результатов этих работ следует отметить, что для гуссовского шума в одномерном случае оказываются локализованы состояния с любой энергией, в то время как в двухи трехмерных случаях возможны как локализованные, так и нелокали-зованные состояния.
Другим классическим вариантом постановки задачи является стационарное уравнение Шредингера в непрерывном пространстве, но с потенциалом в виде 6 -коррелированного шума. Подробное исследование такой задачи представлено в монографии [61] (а в монографии [62], например, можно найти исследование аналогичной, до некоторой степени, по духу своей математической постановки задачи о распространении света в случайно неоднородной среде). Для описания свойств локализации решений в одномерном случае в [61] рассматривается показатель экспоненциального роста (показатель локализации), который фактически является показателем Ляпунова, определяющим скорость асимптотического (на больших расстояниях) экспоненциального роста возмущений решения в стохастическом дифференциальном уравнении по мере движения в пространстве при заданной реализации шума.
Задача об отыскании показателя локализации (показателя Ляпунова) даже для стационарного уравнения Шредингера с потенциалом в виде белого (6-коррелированного) гауссовского шума требует решения уравнения Фоккера-Планка для логарифмической производной волновой функции и оказывается достаточно громоздкой. Если линейное дифференциальное стохастическое уравнение имеет порядок выше второго, то уравнение Фоккера-Планка следует решать в многомерном пространстве (логарифмическая производная и некоторые другие характеристики состояния системы) — аналитическое решение этой задачи в обобщенном случае невозможно. Однако, показатель Ляпунова может быть оценен, при помощи показателей роста моментов полей, осредненных по реализациям шума, подобно тому, как это было сделано в работе [63]. Для аналитического вычисления последних можно использовать результаты монографии [62] для линейных дифференциальных уравнений с белым шумом в коэффициентах.
Для полноты представления о состоянии исследований в данной области можно отметить, что локализация Андерсона возможна не только при случайной модуляции параметров, но и при квазипериодической, как это было показано, например, в работах [64,65].
Вслед за квантово-механическими системами, локализация Андерсона наблюдалась и исследовалась в других областях. Например, в обзорной работе [66], где представлен обширный разбор акустических проблем, аналогичных проблемам физики конденсированного состояния вещества, отдельное внимание уделяется локализации Андерсона в акустических системах. В работе [67] представлены простейшие варианты экспериментов по одномерной и многомерной локализации Андерсона (дискретного случая) в акустических системах. В теоретических работах [68,69] исследуются более сложные варианты системы, использованной в [67] для наблюдения одномерной локализации Андерсона: добавляется беспорядок в силе связи между элементами. В работе [70] рассматривается многомерная локализация Андерсона в непрерывной акустической системе (локализация ультразвуковых волн).
При этом упоминания задач о пространственной локализации конвективных течений на данный момент в литературе не встречается, хотя задачи такого типа могут представлять интерес, например, по причине того, что в реальных системах невозможно полностью избежать случайных пространственных неод-нородностей. В этой связи, в третьей главе диссертации рассматривается тепловая конвекция в тонком горизонтальном слое пористой среды со случайной стационарной пространственной неоднородностью нагрева [98], обеспечиваемого посредством заданного потока тепла через слой. Как было отмечено выше, в таких условиях в системе при однородном нагреве возможна длинноволновая неустойчивость, и система рассматривается именно в длинноволновом приближении. Представлен вывод уравнений длинноволновой конвекции вблизи порога устойчивости при стационарной неоднородности нагрева (другой пример уравнений длинноволновой конвекции при пространственно неоднородном нагреве можно найти в работе [72]).
Ранее, в работе [73], исследовалось влияние случайной неоднородности локальной надкритичности на порог устойчивости в одномерном уравнении Ландау-Гинзбурга, но свойства локализации решений в линеаризованном варианте этой системы не отличаются от таковых в стационарном уравнении Шре-дингера с потенциалом в виде белого гауссовского шума, описанных в [61]. Гидродинамическая система, фигурирующая в третьей главе, описывается уравнением, линеаризация которого может быть сведена к упомянутому уравнению Шредингера лишь в отсутствии горизонтального прокачивания жидкости через слой. Кроме того, есть существенная разница в наблюдаемости эффектов, связанных с формальными свойствами уравнений, описывающих разные по своей природе системы.
В свете всего вышеперечисленного, третья глава диссертации была посвящена анализу вопроса об интерпретации локализации формальных решений линеаризованного варианта уравнений, описывающих тепловую конвекцию в тонком слое при случайно неоднородном нагреве, исследованию влияния на эти свойства прокачивания жидкости и наблюдению проявления этих свойств в исходной нелинейной системе.
Синхронизация нелинейных систем общим шумом. В теории стохастических процессов широко распространены ситуации, требующие осреднения по реализациям шума. При этом имеется два классических круга задач, связанных с осреднением вдоль траектории системы при заданной реализации шума. Количественное описание явлений, наблюдаемых в этих задачах, в той или иной степени фактически связано с вычислением показателей Ляпунова. Для фигурирующих в таких задачах стохастических систем показатели Ляпунова определяются в том смысле, что они описывают эволюцию малых возмущений траектории системы при заданной реализации шума, т. е. описывают устойчивость отклика не к возмущениям шума, а к возмущениям траектории системы.
Первый круг задач связан с явлениями локализации в распределенных системах со случайной пространственной модуляцией параметров — задача такого типа рассматривается в третьей главе. Второй круг задач упомянутого типа связан с синхронизацией нелинейных систем общим шумом, и некоторым общим результатам относительно этого явления посвящена четвертая глава диссертации.
Основным эффектом при воздействии шума на периодические автоколебания является появление диффузии фазы: автоколебания становятся неидеальными [74,75]. Однако шум может играть и упорядочивающую роль, в частности синхронизовать автоколебания. Если на две одинаковые (или слабо отличающиеся) автоколебательные системы действует общий шум, то их состояния могут под действием этого шума синхронизоваться. Этот эффект определяется знаком максимального показателя Ляпунова, при периодических автоколебаниях он отвечает направлению вдоль предельного цикла. Для автономных систем он нулевой, и синхронизации в описанном выше смысле нет. Под действием шума показатель Ляпунова может стать отрицательным, что означает синхронизацию.
Эффекты, связанные с проявлением синхронизации нелинейных систем под действием общего внешнего шума, в различных областях науки фигурируют под разными названиями. В нейрофизиологии используется понятие «надежности» («reliability») нейронов [76,77,78,79], подразумевающее способность нейрона давать идентичный выходной сигнал при повторных подачах одной и той же предварительно записанной реализации случайного входного сигнала. В недавних экспериментах с Nd: YAG (неодим:иттрий гранат алюминия) лазерами [80,81] аналогичное свойство упоминалось как «устойчивость» («consistency»). Если для воздействия используется не стохастический шум, а хаотический сигнал, говорится об обобщенной синхронизации (generalized synchronization) [82, 81].
Впервые задача о синхронизации идентичных систем общим внешним шумом была рассмотрена в работах [83,84], где рассматривался слабонелинейный квазигармонический автогенератор с шумом в виде случайной последовательности импульсов. Было установлено, что слабый шум синхронизует колебания (показатель Ляпунова отрицателен), а достаточно сильный — десин-хронизует (показатель Ляпунова положителен). Позднее в таком смысле синхронизация нелинейных систем общим внешним шумом рассматривалась в книге [85] и работах [86,87,88,89,90].
В работе [99] и появившихся следом, независимо друг от друга, работах [91,100] авторы обращаются к автоколебательным динамическим системам общего положения с белым гауссовским шумом и исследуют их в рамках фазового приближения [92]. В рамках этого приближения оказываются возможными только отрицательные значения показателя Ляпунова, в то время, как в работах [83,84,93] демонстрируется возможность возникновения положительных показателей Ляпунова для стохастических систем. Действительно, в автоколебательных (в отсутствие шума) системах при умеренных интенсивностях шума в некоторых случаях также наблюдаются положительные значения показателя Ляпунова как для белого гауссовского шума [101,103], так и для телеграфного [102].
Общая характеристика работы.
Содержание и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В ведении представлен обзор литературы, содержание и основные цели данной работы.
Заключение
.
Глава 1: Параметрическое возбуждение термоконцентрационной конвекции в слое пористой среды.
В первой главе исследована термоконцентрационная конвекция бинарной смеси в подогреваемом снизу горизонтальном слое пористой среды при наличии модуляции поля тяжести. Для случая фиксированного теплового потока через границы с учетом эффекта Соре выведены уравнения, описывающие нелинейную динамику длинноволновых структур при конечной надкритичности.
Аналитически исследована линейная устойчивость состояния механического равновесия по отношению к длинноволновым возмущениям в отсутствии модуляции: найдены границы монотонной и колебательной неустойчивостей. Для проверки обоснованности использования длинноволнового приближения исследована линейная устойчивость системы по отношению к возмущениям конечной длины. Это исследование показало, что длинноволновые возмущения, действительно, являются самыми опасными.
Построенная в линейном приближении для длинноволновых возмущений теория показала, что длина волны возмущения в отсутствии модуляции определяет лишь характерный масштаб временной эволюции возмущения, а не ее характер. В результате, задачи о конечной области, когда спектр волновых чисел дискретен, и бесконечной, когда спектр непрерывен, оказываются существенно различными. Влияние модуляции исследовано аналитически для малых амплитуд модуляции: рассмотрены изменение монотонного уровня и первые три резонанса — и численно для конечных амплитуд. То и другое выполнено как для дискретного, так и для непрерывного спектров волновых чисел.
Оказалось, что параметрическое воздействие не оказывает влияния на модули комплексных мультипликаторов возмущения с фиксированной длиной волны (центральное многообразие системы двумерно), а влияет лишь на границы области параметров, где эти мультипликаторы остаются комплексными. В результате, устойчивость системы по отношению к квазипериодическим колебаниям возмущения с данной длиной волны не зависит от амплитуды модуляции — дестабилизация связана исключительно с резонансами и монотонной неустойчивостью немодулированной системы.
При дискретном спектре граница устойчивости системы может определяться для сколь угодно малых амплитуд модуляции резонансами как первого порядка, так и старших, а при непрерывном спектре и малой модуляции параметрическая дестабилизация колебательного уровня определяется резонансом исключительно первого порядка.
Для некоторых значений параметров системы монотонный уровень неустойчивости может дестабилизироваться модуляцией. При этой дестабилизации наиболее опасными оказываются однородные возмущения при непрерывном спектре, а при дискретном — возмущения с наибольшей возможной длиной волны. Стабилизация монотонного уровня невозможна ни при дискретном, ни при непрерывном спектрах волновых чисел.
Глава 2: Термоконцентрационная конвекция в слое пористой среды от источников тепла или примеси.
Во второй главе исследованы нелинейные режимы стационарной термоконцентрационной конвекция бинарной смеси в тонком слое пористой среды при наличии внутреннего источника примеси или тепла.
Обнаружено, что решения определяются локальными характеристиками потоков (тепла и примеси), а структура источника и то, как он организован, не влияют на течение в конкретной точке пространства: это течение полностью определяется интенсивностью источника. Найденные решения справедливы, начиная с некоторого конечного удаления от источника, которое при слабом источнике может быть малым — порядка толщины слоя.
Выяснено, что в случаях, когда стационарное течение устойчиво, области длинноволнового течения могут быть разделены одним или несколькими кольцами переходного течения.
Кроме того, оказалось, что в случае локализованного источника примеси, ее вынос из непосредственной окрестности источника осуществляется преимущественно конвективным образом. В тоже время, для локализованного источника тепла возможны два типа режимов: с преимущественно конвективным и преимущественно диффузионным механизмами выноса тепла из окрестности источника. В некоторых случаях между этими режимами с разными механизмами выноса тепла возможна мультистабильность.
Глава 3: Локализация течений в горизонтальном слое при случайно неоднородном нагреве.
В третьей главе рассмотрена двухмерная тепловая конвекция жидкости в тонком горизонтальном слое со случайной стационарной неоднородностью нагрева, обеспечиваемой фиксированным потоком тепла поперек слоя.
Выведены уравнения, описывающие нелинейные режимы длинноволновой конвекции при неоднородном нагреве.
При неоднородности, моделируемой белым гауссовским шумом, в системе при средней величине потока тепла ниже критического значения для однородного слоя возможны локальные превышения критического значения теплового потока, приводящие, как показано, к возбуждению локализованных течений, изучению свойств которых и посвящена данная глава диссертации.
Исследованы свойства локализации нелинейных течений и влияние на них прокачивания жидкости в горизонтальном направлении. Обнаружено, что прокачивание приводит к локализации не только течений, но и возмущений поля температуры. Вычислены показатели локализации в направлении по потоку прокачивания и против. Аналитически определен показатель роста среднеквадратичных значений, дающий оценку показателей локализации, определяемых численно.
В соответствии с предсказаниями теории, численное интегрирование полной нелинейной системы выявило радикальное влияние прокачивания на свойства локализации в направлении против потока прокачивания: длина локализации при малых конечных скоростях прокачивания может увеличиваться на порядок.
Глава 4: Синхронизация нелинейных систем общим шумом.
В четвертой главе исследована возможность синхронизации одинаковых автоколебательных динамических систем посредством воздействия общим внешним шумом (там, где это не оговорено, идет речь о белом гауссовском шуме).
Количественной характеристикой способности систем синхронизоваться является показатель Ляпунова, соответствующий возмущениям вдоль фазовой траектории динамической системы. В фазовом приближении задача его отыскания решена аналитически в квадратурах для случаев одного и нескольких независимых шумовых сигналов.
В качестве примеров систем, соответствующих первому и второму случаям, рассмотрены задачи о влиянии одного и двух независимых линейно поляризованных однородных шумов на синхронизацию систем с предельным циклом, имеющим близкую к окружности форму, и примерно постоянный на этом цикле модуль скорости фазового потока.
Для обоих рассмотренных примеров шум может приводить только к синхронизации, поскольку показатель Ляпунова отрицателен. Аналогичный вывод следует и из общего асимптотического выражения, справедливого для любых систем в пределе малого шума. Причем в этом пределе предположение о гаус-совости является излишним, поскольку вклад старших кумулянтов шумового сигнала (гауссовость используется для их устранения) в значения интересующих нас величин пропорционален старшим степеням интенсивности шума. Сами же асимптотические значения показателя Ляпунова в этом пределе прямо пропорциональны интенсивности шума и обратно пропорциональны частоте автоколебаний.
В ситуациях, когда фазовое приближение не справедливо (при конечной интенсивности шума и небольшой устойчивости предельного цикла) аналитическое исследование поведения систем в общем случае оказывается невозможно и требуется численный счет, который для некоторых систем (например, осциллятора Ван дер Поля-Дюффинга) обнаружил возможность появления положительного показателя Ляпунова, т. е. десинхронизацию колебаний.
В упомянутых случаях отдельное внимание уделено неидеальным ситуациям: когда имеется ансамбль идентичных осцилляторов, находящихся под воздействием слегка отличающихся шумов (внутренний шум), или ансамбль слегка отличающихся осцилляторов под действием идентичного шума. При малом шуме, когда показатель Ляпунова отрицателен, и малых неидентичностях (в шуме или параметрах) задачи допускают аналитическое исследование в рамках фазового приближения.
Оказывается, что при неидентичности в параметрах, характерные отклонения состояний систем пропорциональны расстройке частот и обратно пропорциональны модулю показателя Ляпунова, а при дополнительном индивидуальном шуме — пропорциональны амплитуде индивидуального шума и обратно пропорциональны корню из модуля показателя Ляпунова.
Найдены распределения разностей фаз осцилляторов. В обоих случаях эти распределения имеют степенные асимптоты, свидетельствующие о перемежаемости между эпохами синхронного и асинхронного поведения при сколь угодно малых неидентичностях.
Результаты численного счета для конкретных систем при конечных интенсивностях шума обнаружили тот же характер соотношения между степенью синхронности поведения систем с малой неидентичностью и показателем Ляпунова, что и в аналитической теории.
Для выяснения существенности роли специфических свойств рассматривавшегося шума (гауссовость и 8-коррелированность) рассмотрен случай существенно иного шума: телеграфного.
Вновь оказалось, что при малом шуме или частых переключениях показатель Ляпунова отрицателен, а в некоторых системах при умеренной интенсивности шума может происходить десинхронизация колебаний.
В тоже время, для некоторых систем фазовое описание дает адекватные результаты даже при умеренных значениях интенсивности шума и среднего времени переключений. Зависимость показателя Ляпунова от параметров шума (амплитуды и среднего времени переключений) не обнаруживает каких-либо следов таких зависимостей, соответствующих периодическому воздействию.
Поведение отклонений в состояниях систем при малых неидентичностях и амплитудах шума для телеграфного шума не отличается от такового для белого гауссовского шума.
