Турбуленцията играе ключова роля в ежедневието на хората: влияе върху полетите, времето и климата и
Сега физици от Технологичния институтДжорджия демонстрира - числено и експериментално - че турбулентността може да бъде разбрана и количествено определена с относително малък набор от ad hoc решения на основните уравнения на хидродинамиката. Те могат да бъдат предварително изчислени за конкретна геометрия.
Резултатите от изследването са публикувани в списаниетоСборник на Националната академия на науките. Изследователският екип беше ръководен от Роман Григориев и Майкъл Шац, професори в Училището по физика към Технологичния институт на Джорджия.
Схема на обучението на физиците. Снимка: Майкъл Шац, Роман Григориев
Количествено прогнозирайте еволюцията на турбулентнитетокове и почти всяко от техните свойства е доста сложно. Численото моделиране е единственият достъпен надежден подход за прогнозиране. Проблемът е, че "може да бъде ужасно скъпо", обясняват авторите на изследването. Целта на новата работа е да направи прогнозирането по-евтино.
Нов експеримент на учените
Изследователи създадоха нова "пътна карта"турбулентност чрез изследване на слаб турбулентен поток между два независимо въртящи се цилиндъра. Така че физиците са създали уникален начин за сравняване на експериментални наблюдения с числено изчислени потоци. Всичко благодарение на липсата на крайни ефекти.
„Турбуленцията може да се разглежда като влаккойто не само следва железопътната линия според предписания график, но също така има същата форма като железопътната линия, по която пътува ”, обясняват учените.
В експеримента физиците са използвали прозрачнистени, които осигуряват пълен визуален достъп. Така те успяха да проследят движението на милиони суспендирани флуоресцентни частици. Успоредно с това учените са използвали усъвършенствани методи за изчисляване на повтарящи се решения на частично диференциално уравнение (уравнението на Навие-Стокс), което управлява флуидните потоци при условия, точно съответстващи на експеримента.
Експериментът на изследователите използва прозрачни стени за пълен визуален достъп и най-съвременна визуализация на потока. Снимка: Майкъл Шац
Добре известно е, че тече турбулентна течностдемонстрират набор от модели, които се наричат кохерентни структури. Те не само имат добре дефиниран пространствен профил, но и се появяват и изчезват по привидно случаен начин. Анализирайки експериментални и числени данни, физиците са открили, че моделите на потока и тяхната еволюция наподобяват тези, описани от ad hoc решения (които те са изчислили). Важно е те да са повтарящи се и нестабилни. И следователно те описват повтарящи се модели на потока на кратки интервали. Turbulence проследява едно такова решение след друго, което обяснява какви модели могат да се появят и в какъв ред.
Какво са направили учените?
Всички рекурсивни решения, които учените са намерилисе оказа квазипериодичен, т.е. характеризиращ се с две различни честоти. Едната честота описва общото въртене на модела на потока около оста на симетрия на потока, а другата описва промени във формата на модела на потока в референтната рамка. Съответните потоци периодично се повтарят в съвместно въртящи се модели.
След това физиците сравняват турбулентните потоциексперимент и директна числена симулация с повтарящи се решения. Оказа се, че турбулентността проследява точно едно повтарящо се решение след друго, стига потокът да се поддържа. Подобно поведение вече е предсказано за нискоразмерни хаотични системи, като известния модел на Лоренц.
Настройката позволи на изследователите да реконструират потока чрез проследяване на движението на милиони суспендирани флуоресцентни частици. Снимка: Майкъл Шац
Така учените наблюдават експерименталноповтарящи се решения за проследяване на хаотично движение в турбулентни потоци. Те обаче отбелязаха, че динамиката на турбулентните потоци е много по-сложна поради квазипериодичния характер на повтарящите се решения.
Те обаче показаха, че организациятатурбулентността както в пространството, така и във времето се улавя добре от тези структури. Тези резултати са полезни за представяне на турбулентност по отношение на кохерентни структури и използване на тяхното постоянство във времето. Целта е да се преодолее разрушителният ефект на хаоса върху способността на физиците да предвиждат, контролират и проектират флуидни потоци.
Накъде води?
Резултатите от експеримента ще повлияят на общносттафизици, математици и инженери, които все още се опитват да разберат турбуленцията на течности. Счита се за може би най-големият неразрешен проблем в цялата наука, подчертават авторите на изследването.
В крайна сметка експериментът на учените се оказваматематическата основа за турбуленцията на течности, която е динамична по природа, а не статистическа. Това ще даде възможност за количествени прогнози, които са критични за различни приложения.
Това не само ще подобри ежедневната точностпрогнози за времето, но най-важното, екстремни събития като урагани и торнадо. Динамичната структура е важна и за учените, които се опитват да проектират потоци с желаните свойства. Например, физиците ще могат да намалят съпротивлението около превозните средства, за да подобрят горивната ефективност.
Прочетете още:
Първите изображения на подземната част на Марс изненадаха учените
От тялото до устата: учените разбраха откъде идват зъбите
Къде на планетата ще бъде най-опасно до 2100 г.: публикувана е нова карта