Вихри на свободной поверхности слоя нормального гелия He-I в широкой ячейке
Левченко А.А., Межов-Деглин Л.П., Пельменёв А.А.

Received: October 18, 2022

DOI: 10.31857/S0044451023040120

PDF (4.3M)

Возникновение термогравитационного конвективного течения в объеме слоя нормального жидкого гелия He-I глубиной (1-3)см в широкой цилиндрической ячейке, который подогревают сверху в поле силы тяжести в интервале температур , сопровождается возбуждением вихревого течения на свободной поверхности жидкости. Здесь T_λ =2.1768К - температура перехода жидкого ⁴He из сверхтекучего He-II в нормальное He-I состояние при давлении насыщенных паров, 2.183К - 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 на поверхности 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 T_m 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 T_λ позволили впервые в одном эксперименте изучать возбуждение, эволюцию и затухание вихревых течений на поверхности слоя глубокой и мелкой воды .