Turbulence hrají klíčovou roli v každodenním lidském životě: ovlivňují lety, počasí a klima a
Nyní fyzici z Technologického institutuGeorgia prokázala – numericky a experimentálně – že turbulenci lze pochopit a kvantifikovat pomocí relativně malého souboru ad-hoc řešení základních rovnic hydrodynamiky. Lze je předem vypočítat pro konkrétní geometrii.
Výsledky studie jsou publikovány v časopiseProceedings of the National Academy of Sciences. Výzkumný tým vedli Roman Grigoriev a Michael Schatz, profesoři na School of Physics na Georgia Institute of Technology.
Schéma studia fyziků. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Kvantitativně předvídat vývoj turbulentníchproudů a téměř všech jejich vlastností je poměrně složitá. Numerické modelování je jediným spolehlivým dostupným předpovědním přístupem. Problém je v tom, že to „může být strašně drahé,“ vysvětlují autoři studie. Cílem nové práce je zlevnit prognózování.
Nový experiment vědců
Vědci vytvořili novou „cestovní mapu“turbulence studiem slabého turbulentního proudění mezi dvěma nezávisle rotujícími válci. Fyzici tedy vytvořili jedinečný způsob, jak porovnávat experimentální pozorování s numericky vypočtenými toky. To vše díky nedostatku konečných efektů.
„Turbulence si lze představit jako vlakkterý nejen že sleduje železnici podle předepsaného jízdního řádu, ale má také stejný tvar jako železnice, po které jezdí, “vysvětlují vědci.
V experimentu fyzici použili transparentnístěny, které poskytují plný vizuální přístup. Takže byli schopni sledovat pohyb milionů suspendovaných fluorescenčních částic. Současně vědci použili pokročilé metody k výpočtu opakujících se řešení parciální diferenciální rovnice (rovnice Navier-Stokes), která řídí toky tekutin za podmínek přesně odpovídajících experimentu.
Experiment výzkumníků používal průhledné stěny pro plný vizuální přístup a nejmodernější vizualizaci toku. Foto: Michael Schatz
Je dobře známo, že proudí turbulentní tekutinademonstrovat soubor vzorů, které se nazývají koherentní struktury. Nejen, že mají dobře definovaný prostorový profil, ale také se objevují a mizí zdánlivě náhodným způsobem. Při analýze experimentálních a numerických dat fyzici zjistili, že vzory proudění a jejich vývoj se podobají těm, které jsou popsány ad hoc řešeními (která vypočítali). Je důležité, aby byly opakující se a nestabilní. A proto popisují opakující se vzorce toku v krátkých intervalech. Turbulence sleduje jedno takové rozhodnutí za druhým, což vysvětluje, jaké vzorce se mohou objevit a v jakém pořadí.
Co vědci udělali?
Všechna rekurzivní řešení, která vědci našlise ukázalo jako kvaziperiodické, tj. charakterizované dvěma různými frekvencemi. Jedna frekvence popisovala obecnou rotaci vzoru toku kolem osy symetrie toku a druhá popisovala změny tvaru vzoru toku v referenčním rámci. Odpovídající toky se periodicky opakují v souběžných rotujících vzorech.
Fyzici pak porovnali turbulentní proudění dovnitřexperiment a přímá numerická simulace s opakovaným řešením. Ukázalo se, že turbulence přesně sleduje jedno opakující se rozhodnutí za druhým, pokud je zachováno proudění. Takové chování již bylo předpovězeno pro nízkorozměrné chaotické systémy, jako je slavný Lorentzův model.
Nastavení umožnilo výzkumníkům rekonstruovat tok sledováním pohybu milionů suspendovaných fluorescenčních částic. Foto: Michael Schatz
Vědci tedy experimentálně pozorovalirekurentní řešení pro sledování chaotického pohybu v turbulentních tocích. Poznamenali však, že dynamika turbulentních toků je mnohem komplikovanější kvůli kvaziperiodické povaze rekurentních řešení.
Ukázali však, že organizaceturbulence jak v prostoru, tak v čase je těmito strukturami dobře zachycena. Tyto výsledky jsou užitečné pro reprezentaci turbulence z hlediska koherentních struktur a využití jejich neměnnosti v čase. Cílem je překonat destruktivní vliv chaosu na schopnost fyziků předpovídat, řídit a navrhovat proudění tekutin.
K čemu to povede?
Výsledky experimentu ovlivní komunitufyzikové, matematici a inženýři, kteří se stále snaží porozumět turbulenci tekutin. Je považován za možná největší nevyřešený problém v celé vědě, zdůrazňují autoři studie.
Nakonec, experiment vědců ležímatematický základ pro turbulenci tekutin, která je dynamická, nikoli statistická. To umožní kvantitativní předpovědi, které jsou kritické pro různé aplikace.
Tím se nejen zlepší přesnost každodenního provozupředpovědi počasí, ale hlavně extrémní jevy, jako jsou hurikány a tornáda. Dynamická struktura je důležitá i pro vědce, kteří se snaží navrhovat toky s požadovanými vlastnostmi. Fyzici budou například schopni snížit odpor kolem vozidel a zlepšit tak účinnost paliva.
Přečtěte si více:
První snímky podzemní části Marsu vědce překvapily
Od těla k ústům: vědci pochopili, odkud se zuby vzaly
Kde na planetě bude do roku 2100 nejnebezpečnější: byla zveřejněna nová mapa