CC BY
0ЭВОЛЮЦИЯ ВИХРЕЙ НА СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СЛОЯ НОРМАЛЬНОГО ГЕЛИЯ He-I
Левченко А.А. 1, Межов-Деглин Л.П.1, Пельменёв А.А.1'2
1 Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН, Черноголовка, 142432, Россия Email: levch@issp.ac.ru; mezhov@issp.ac.ru 2 Филиал Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук в г. Черноголовке; Черноголовка, 142432, Россия
E-mail: pelmenevaa@gmail. com
Возникновение термогравитационного конвективного течения в объеме слоя нормального жидкого гелия He-I глубиной h ~ 1^3 см в широкой цилиндрической ячейке, который подогревают сверху в поле силы тяжести в интервале температур T < Т <Тт , сопровождается возбуждением вихревого течения на свободной поверхности жидкости. Здесь T = 2.1768 К - температура перехода жидкого 4Не из сверхтекучего He-II в нормальное He-I состояние при давлении насыщенных паров, Тт ~ 2.183 К - 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 двухмерного слоя). При дальнейшем подогреве слоя выше Тт конвективные потоки в объеме быстро затухают, однако вихревое движение на поверхности двухмерного 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 двухмерного 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 позволили впервые в одном эксперименте изучать возбуждение, эволюцию и затухание вихревых течений на поверхности слоя «глубокой» и «мелкой воды».
Литература
1. А.А. Пельменев, А.А. Левченко, Л.П. Межов-Деглин,Письма в ЖЭТФ том 110, вып. 8, с. 545 (2019). DOI: 10.1134/S0370274X19200062.
2. A.A. Pelmenev, A.A. Levchenko, L.P. Mezhov-Deglin, Low Temp. Phys. 46, 133 (2020); https://doi.org/10.1063/10.0000531.
3. A.A. Pelmenev, A.A. Levchenko, L.P. Mezhov-Deglin, Journal of Low Temperature Physics 205(5-6), p. 200 (2021).
4. A.A. Pelmenev, A.A. Levchenko, L.P. Mezhov-Deglin, Materials 14, 7514 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14247514.
5. А.А. Левченко, Л.П. Межов-Деглин, А.А. Пельменев,ЖЭТФ том 163, вып. 4, с. 1-16 (2023). DOI: 10.7868/S0044451000000000.
