2.4. Вертикальная структура квазиустановившихся ветровых течений

Выше было показано, что на завершающих стадиях развития однонаправленного по глубине ветрового течения в водной толще происходит формирование эллиптических вихрей, которые могут охватывать всю толщу потока, а в продольном направлении в 8— 10 раз превышают глубину. Наряду с этими наиболее крупными структурными образованиями в потоке формируются более мелкие вихри с горизонтальной осью, заполняющие пространство внутри крупных вихрей и по их контуру, а также вихри разных размеров с вертикальными или наклонными осями вращения. Преимущественно такие же черты структуры преобладают в однонаправленных ветровых течениях и на квазиустановившейся стадии развития процесса.

В разнонаправленных по глубине ветровых течениях, достигших квазиустановившейся стадии развития, вертикальная вихревая структура существенно изменяется с изменением глубины,

интенсивности течения, степени глубоководности ветровых волн и других факторов. Это обстоятельство отчетливо проявлялось на экспериментальной установке как при визуальном наблюдении процесса, так и при рассмотрении данных стационарной киносъемки. Просмотр многих сотен снимков полей скорости в вертикальной плоскости позволил выявить и представить на рис. 2.6 наиболее типичные черты структуры потока, свойственные определенным внешним условиям.

Структура движения частиц жидкости, представленная на рис. 2.6 а, характеризуется преобладанием прямолинейных, преимущественно параллельных дну траекторий в зоне действия как дрейфового, так и компенсационного течения, а также наличием небольших вихревых образований эллиптической или круговой формы на границе раздела. Вихревые образования незначительных размеров возникают также в придонном слое, но они существуют непродолжительное время и редко проникают в толщу компенсационного течения. Подобная картина чаще всего наблюдается в условиях слабого ветра при выраженной глубоководности волн, т. е. при

Структура движения частиц жидкости, изображенная на рис. 2.6 6, соответствует примерно условиям и характеризуется примерно теми же чертами, что и в рассмотренном выше случае, но отличается от нее большими размерами вихревых образований в зоне действия дрейфового течения и на его нижней границе. Некоторые из вихревых образований проникают в зону действия компенсационного течения, осуществляя тем самым местный вертикальный водообмен между ними.

К числу типичных отнесена также структура движений частиц, при которой вихревые образования различных размеров и формы, но преимущественно круговые и эллиптические с небольшим эксцентриситетом, заполняют всю толщу потока (рис. 2.6в). Наиболее мелкие из этих образований возникают чаще, чем крупные, но существуют непродолжительное время. Наиболее крупные образования более устойчивы как во времени, так и в пространстве потока — они нередко видны на многих последовательных кадрах киносъемки, особенно в экспериментах со слабым ветром и сравнительно глубоководными волнами .

Характерной особенностью структуры ветрового течения, нередко возникающей в условиях мелководных волн является разделение потока по длине на отдельные «ячейки», в каждой из которых действуют как бы частично обособленные вертикальные циркуляции. Продольные размеры этих ячеёк обычно в 3—5 раз превышают глубину, а в отдельных случаях достигают 8—10 глубин, т. е. приближаются к размерам эллиптических вихрей в однонаправленном по глубине ветровом течении и в русловом потоке. С наветренной стороны в ячейках преобладают круто восходящие к поверхности траектории (рис. 2.6 г), а с

подветренной стороны — плавно нисходящие траектории. Внутри крупных структурных ячеек размещаются более мелкие образования круговой или эллиптической формы с поперечными размерами, значительно меньшими, чем глубина потока. Обращает на себя

Рис. 2.6. (см. скан) Основные типы вертикальных вихревых структур в разнонаправленных по глубине и квазиустановившихся во времени ветровых течениях. а-г - см. пояснения в тексте.

внимание и то обстоятельство, что ячейки сохраняют свое местоположение в потоке длительное время и лишь их концевые участки пульсируют во времени, то сокращая, то удлиняя общую протяженность ячеек вдоль оси потока.

Рассмотренные виды вихревых структур ветровых течений хотя и являются типичными, но не исчерпывают всего возможного многообразия процесса движений частиц даже для указанных ветровых и волновых условий [237].