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:
ВШЭ ищет новые идеи для ИИ-агентов: стартовал конкурс инициатив
Высшая школа экономики приглашает исследователей и преподавателей представить концепции новых цифровых продуктов на базе искусственного интеллекта. Лучшие проекты получат экспертную и технологическую поддержку. Заявки принимаются до 19 декабря.
РНФ поддержал 29 исследовательских команд из НИУ ВШЭ
Российский научный фонд подвел итоги конкурса малых отдельных научных групп, направленного на поддержку и развитие научных коллективов, которые занимают лидирующие позиции в определенных областях наук. Победителями признаны более 1100 проектов, в том числе 29 из Высшей школы экономики.
В Вышке создан Институт робототехнических систем
Решение об этом принял Ученый совет НИУ ВШЭ. У нового института будет мощная фундаментальная база, он будет сотрудничать с другими профильными подразделениями, вовлекать студентов и аспирантов в исследования и разработки. К каким практическим результатам приведет работа института и как планируется организовать взаимодействие с его индустриальным партнером, «Вышке.Главное» рассказал первый проректор НИУ ВШЭ, директор Института статистических исследований и экономики знаний Леонид Гохберг.
Подведены итоги Конкурса инноваций в образовании — 2025
22 ноября в конгресс-холле Альфа-Банка состоялась церемония награждения финалистов, победителей в номинациях и абсолютного победителя Конкурса инноваций в образовании (КИвО-2025). Он проводится 12-й раз, и сегодня это хорошо известный в образовательном сообществе флагманский проект Высшей школы экономики, объединяющий формальное образование, EdTech и частные инициативы.
От импортозамещения к прорыву: как Россия движется к технологическому суверенитету
Доля импорта в затратах на производство и реализацию продукции в России сократилась почти в два раза с 2021 по 2024 год. Об этом свидетельствуют данные исследования НИУ ВШЭ, представленные на круглом столе, посвященном технологическому суверенитету. Эксперты также обсудили, как перейти от импортозамещения в промышленности к прорыву на глобальных рынках. Мероприятие прошло в рамках Дискуссионного экспертного форума НИУ ВШЭ.
Вышка Онлайн представила документальный фильм о влиянии ИИ на нашу жизнь
27 ноября на всех онлайн-площадках Вышки Онлайн состоялась премьера документального фильма «После промпта» от онлайн-кампуса НИУ ВШЭ. Его авторы исследуют, как искусственный интеллект меняет работу, карьерные траектории и профессиональное развитие специалистов. Это первый видеопроект, полностью реализованный командой онлайн-кампуса НИУ ВШЭ совместно с приглашенным режиссером Ольгой Науменко.
В Национальном форуме ДПО приняли участие свыше 3 тысяч человек
В Высшей школе экономики 20–21 ноября состоялся Национальный форум ДПО. В его работе приняли участие представители вузов, государства, бизнеса, ведущие эксперты в сфере образования и HR. Мероприятия, проходившие в комплексе НИУ ВШЭ в Москве на Покровском бульваре, посетили более 800 человек, а общее число офлайн- и онлайн–участников превысило 3 тысячи.
Ученые обнаружили один из самых долгих случаев ковида
Международная группа исследователей при участии ученых из НИУ ВШЭ изучила необычный образец вируса SARS-CoV-2 у ВИЧ-положительной пациентки. Генетический анализ позволил выявить множественные мутации и установить, что вирус эволюционировал в организме на протяжении 2 лет. Это подтверждает теорию о том, что вирус способен годами оставаться в организме отдельных людей, постепенно накапливать мутации и затем выплескиваться в популяцию. Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Cellular and Infection Microbiology.
Восьмой международный онлайн-семинар U4U объединил экспертов из 14 стран
Онлайн-кампус НИУ ВШЭ провел двухдневный международный семинар U4U (Universities for Universities), который традиционно служит площадкой для обмена опытом между университетами в области онлайн-обучения. В этом году событие вышло на глобальный уровень и расширило географию. К обсуждению ключевых вызовов и стратегий развития онлайн-образования присоединились международные эксперты и представители университетов со всего мира. Встреча состоялась в онлайн-формате в середине ноября.
Технологический прорыв: исследования Института ИИ и цифровых наук отмечены на AI Journey 2025
Ученые Института искусственного интеллекта и цифровых наук факультета компьютерных наук ВШЭ в рамках Международной конференции AI Journey 2025 представили передовые ИИ-исследования с высоким уровнем научной новизны и практической применимости. Научное решение заведующего Научно-учебной лабораторией матричных и тензорных методов в машинном обучении Максима Рахубы получило премию «Лидеры ИИ — 2025». Заведующий Центром глубинного обучения и байесовских методов Айбек Аланов — среди финалистов премии.


