Физики из ВШЭ рассказали, как управлять вихрями в двумерной турбулентности
Как поведение турбулентных потоков меняется под действием внешнего воздействия, выяснили исследователи Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН и факультета физики НИУ ВШЭ. Они показали, что даже небольшое подкручивание извне может стабилизировать систему, продлевая жизнь крупных вихрей. Такие результаты помогут точнее моделировать атмосферные и океанические потоки. Работа опубликована в журнале Physics of Fluids.
Турбулентность — кажущееся беспорядочным движение воды и воздуха, которое возникает, когда потоки вещества начинают двигаться с очень высокой скоростью. В состоянии турбулентности потоки жидкости постоянно перемешиваются, ломаются, вихри распадаются на маленькие, иногда исчезают или, наоборот, собираются в крупные.
Хотя ученые знают условия возникновения турбулентных потоков, для описания их поведения и эволюции приходится использовать сложные математические модели со множеством параметров. Чтобы понять поведение реальных систем, например атмосферы и океанов Земли, исследователи моделируют динамику турбулентности в упрощенном виде — изучают ее на плоскости вместо объема.
Законы турбулентности в трехмерных и двумерных системах кардинально различаются. В трехмерных турбулентных системах энергия движется по прямому каскаду: большие потоки склонны распадаться на маленькие, энергия которых после выделяется в виде тепла. В плоских системах турбулентность проявляется иначе. Двумерная конфигурация заставляет энергию перемещаться по обратному каскаду: мелкие вихри стремятся объединяться в крупные.
Научный сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау РАН и Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ Владимир Парфеньев и студентка магистратуры факультета физики НИУ ВШЭ Алиса Шиканиан смоделировали поведение турбулентных вихрей на плоскости. Они изучили динамику жидкости в квадратной ячейке.
Ученые рассмотрели случай, в котором к двумерной системе прикладывают постоянный внешний крутящий момент, как будто потоки дополнительно закручивают извне. Оказалось, что добавление совсем небольшого внешнего подкручивания способно увеличить время жизни крупных вихрей и стабилизировать поведение системы.
Математическое моделирование позволило определить, как толщина пограничного слоя у стенок, где происходит рассеяние энергии, зависит от параметров изучаемой системы. Скорость жидкости у границ в проведенном моделировании вела себя так же, как в лабораторных экспериментах с мыльными пленками других исследовательских групп: увеличивалась при удалении от стенок по закономерностям одного типа. При этом в системе образовывались крупные вихри, обратный каскад энергии не останавливался и доходил до размеров системы.
Владимир Парфеньев
«Самый важный для нас результат — точное понимание того факта, что трения жидкости только о стенки недостаточно для остановки обратного каскада энергии в двумерной системе, вихри жидкости всегда будут стремиться собраться в крупные структуры. Так или иначе энергия в системе накапливается на крупных масштабах — именно так из хаоса образуется порядок», — рассказал Владимир Парфеньев.
Полученные учеными результаты расширяют понимание процессов, управляющих формированием крупномасштабных структур в двумерной турбулентности, и создают прочный фундамент для будущих исследований в этой области. Занимающиеся науками о Земле ученые смогут использовать результаты работы для уточнения прогностических моделей океанических и атмосферных течений.
Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект 23-72-30006.
Вам также может быть интересно:
Зеленый энергопереход: от мифов к реалиям
В 2025 году в Вышке стартовал стратегический технологический проект (СТП) «Национальный центр социально-экономического и научно-технологического прогнозирования». Институт экономики природных ресурсов и изменения климата ВШЭ формирует прогнозы развития мировой и российской экономики и энергетики с учетом фактора «зеленой трансформации». Игорь Макаров, директор института и руководитель департамент мировой экономики, рассказал о глобальном ландшафте климатического регулирования, «черных лебедях» и роли ИИ в борьбе с изменением климата.
Стратегические технологические проекты Вышки в 2025 году
В 2025 году Высшая школа экономики продолжила участие в программе стратегического академического лидерства «Приоритет-2030», обеспечив фокус на технологическое лидерство согласно новой рамке программы «Приоритет-2030». Важный элемент стратегии технологического лидерства университета — стратегические технологические проекты, направленные на создание востребованных наукоемких продуктов и услуг.
Исследователи НИУ ВШЭ выяснили, как нейросети понимают каламбуры
Международная команда с участием исследователей ФКН НИУ ВШЭ представила KoWit-24 — корпус из 2700 русскоязычных заголовков «Коммерсанта» с игрой слов. Корпус позволил оценить, как искусственный интеллект распознает и объясняет языковую игру. Эксперименты с пятью большими языковыми моделями подтвердили: даже передовые системы пока ошибаются, причем интерпретация игры слов является для них более сложной задачей, чем ее выявление. Результаты работы были представлены на конференции RANLP, cтатья доступна в репозитории Arxiv.org, датасет и код для воспроизведения экспериментов — в GitHub.
Исследователи НИУ ВШЭ экспериментально показали благотворное влияние парков на горожан
Ученые НИУ ВШЭ изучили, как парки влияют на когнитивные и эмоциональные ресурсы горожан. Они сравнили электрическую активность мозга у 30 человек при просмотре видеозаписей с прогулками по паркам и по оживленным улицам. Оказалось, что деревья и зелень одинаково влияют на всех людей, помогая мозгу успокоиться и расслабиться. При этом прогулки по городским улицам рассеивают внимание. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
Ученые НИУ ВШЭ нашли способ приручить йод
Ученые МИЭМ ВШЭ совместно с коллегами из Китая нашли способ повысить долговечность перовскитных солнечных батарей. Они решили проблему с утечкой йода из материала. Для этого в перовскит добавили молекулы четвертичного аммония, которые образуют прочную электростатическую пару с ионами йода и фиксируют их в кристалле. Теперь элементы сохраняют более 92% мощности после тысячи часов работы при 85 °C. Исследование опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.
«Прямое включение в научный процесс»: в магистратуре НИУ ВШЭ будут готовить нейробиологов
Решение об открытии новой магистерской программы «Нейробиология» по направлению подготовки «Биология» принял Ученый совет университета. Ее студенты получат доступ к уникальному оборудованию и станут частью исследовательских групп, смогут работать в научной сфере, в медицине и фармацевтике, IT и нейротехнологиях, а также в области образования и HR-службах.
От климатических рисков до торговых войн: в Вышке состоялась конференция по финансовой экономике
Как меняются инвестиционные решения в условиях инфляционных шоков и применения методов машинного обучения? Можно ли предсказать финансовые риски через новые метрики? Какова роль климатической устойчивости банков и как геополитические потрясения влияют на глобальные цепочки создания стоимости? Эти и другие ключевые темы стали предметом обсуждения на прошедшей недавно 14-й Международной московской конференции по финансовой экономике, организованной Международным институтом экономики и финансов (МИЭФ) ВШЭ.
Исследователи ВШЭ составили полногеномную карту квадруплексов
Международная команда исследователей, в том числе из НИУ ВШЭ, создала первую полную карту квадруплексов — нестабильных структур ДНК, участвующих в регуляции генов. Ученые впервые показали, что эти структуры работают парами: один находится в участке ДНК, который запускает считывание гена, а другой в соседнем участке, ускоряющем этот процесс. В нормальных тканях они регулируют работу тканеспецифичных генов, а в раковых — генов, отвечающих за рост и деление клеток. Результаты могут помочь в разработке новых противоопухолевых препаратов, нацеленных на квадруплексы. Исследование опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.
«Выигрывают те, кто умеет быстро адаптироваться и внедрять инновации»
НИУ ВШЭ запускает образовательную программу «ИИ-лидеры: бизнес-лаборатория для руководителей». Обучение рассчитано на 6 месяцев в очном формате, что позволяет глубоко погрузиться в материал и обменяться опытом с коллегами. Программа стартует в феврале 2026 года.
Ученые НИУ ВШЭ оценили отдачу космических инвестиций: каждый рубль может принести пять
Вложения в космическую отрасль приносят экономике значительную выгоду. Согласно расчетам Института статистических исследований и экономики знаний ВШЭ и «Организации «Агат» госкорпорации «Роскосмос», каждый вложенный в космический проект рубль способен приносить более 5 рублей валовой добавленной стоимости и почти 3 рубля налоговых доходов федерального бюджета. Ученые предложили модель, которая позволяет обосновывать решения о бюджетном финансировании не только с точки зрения отраслевых задач, но и с позиции вклада в макроэкономические показатели и структурное развитие экономики. Статья опубликована в журнале «Экономика космоса».