Turbulens spiller en nøglerolle i hverdagen af mennesker: den påvirker flyvninger, vejr og klima og
Nu fysikere fra Teknologisk InstitutGeorgien har demonstreret - numerisk og eksperimentelt - at turbulens kan forstås og kvantificeres med et relativt lille sæt ad-hoc løsninger til hydrodynamikkens fundamentale ligninger. De kan forudberegnes for en bestemt geometri.
Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftetProceedings of the National Academy of Sciences. Forskerholdet blev ledet af Roman Grigoriev og Michael Schatz, professorer ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology.
Ordningen for studiet af fysikere. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Forudsige kvantitativt udviklingen af turbulentstrømme, og næsten alle deres egenskaber, er ret komplekse. Numerisk modellering er den eneste tilgængelige pålidelige prognosemetode. Problemet er, at det "kan være frygteligt dyrt," forklarer undersøgelsens forfattere. Målet med det nye arbejde er at gøre prognoser billigere.
Nyt eksperiment af videnskabsmænd
Forskere har lavet en ny "køreplan"turbulens ved at studere et svagt turbulent flow mellem to uafhængigt roterende cylindre. Så fysikere har skabt en unik måde at sammenligne eksperimentelle observationer med numerisk beregnede fluxer. Alt sammen takket være manglen på sluteffekter.
"Turbulens kan opfattes som et togsom ikke kun følger jernbanen efter den foreskrevne tidsplan, men også har samme form som den jernbane, den kører på,” forklarer forskerne.
I eksperimentet brugte fysikere transparentvægge, der giver fuld visuel adgang. Så de var i stand til at spore bevægelsen af millioner af suspenderede fluorescerende partikler. Parallelt hermed brugte forskerne avancerede metoder til at beregne tilbagevendende løsninger til en partiel differentialligning (Navier-Stokes-ligningen), der styrer væskestrømme under forhold, der er nøjagtigt i overensstemmelse med eksperimentet.
Forskernes eksperiment brugte gennemsigtige vægge til fuld visuel adgang og state-of-the-art flowvisualisering. Foto: Michael Schatz
Det er velkendt, at turbulent væske strømmerdemonstrere et sæt mønstre, der kaldes kohærente strukturer. Ikke alene har de en veldefineret rumlig profil, de dukker også op og forsvinder på en tilsyneladende tilfældig måde. Ved at analysere eksperimentelle og numeriske data har fysikere fundet ud af, at strømningsmønstre og deres udvikling ligner dem, der er beskrevet af ad hoc-løsninger (som de har beregnet). Det er vigtigt, at de er tilbagevendende og ustabile. Og derfor beskriver de gentagne strømningsmønstre med korte intervaller. Turbulens sporer den ene beslutning efter den anden, hvilket forklarer, hvilke mønstre der kan forekomme og i hvilken rækkefølge.
Hvad har forskerne gjort?
Alt sammen rekursive løsninger, som videnskabsmænd har fundetviste sig at være kvasi-periodisk, dvs. karakteriseret ved to forskellige frekvenser. Den ene frekvens beskrev den generelle drejning af strømningsmønsteret omkring strømmens symmetriakse, og den anden beskrev ændringer i strømningsmønsterets form i referencerammen. De tilsvarende strømme gentages periodisk i samroterende mønstre.
Fysikerne sammenlignede derefter de turbulente strømninger indeksperiment og direkte numerisk simulering med gentagne løsninger. Det viste sig, at turbulens nøjagtigt sporer den ene gentagne beslutning efter den anden, så længe flowet opretholdes. En sådan adfærd er allerede blevet forudsagt for lavdimensionelle kaotiske systemer, såsom den berømte Lorentz-model.
Opsætningen gjorde det muligt for forskerne at rekonstruere strømmen ved at spore bevægelsen af millioner af suspenderede fluorescerende partikler. Foto: Michael Schatz
Således observerede forskere eksperimentelttilbagevendende løsninger til sporing af kaotisk bevægelse i turbulente strømme. De bemærkede dog, at dynamikken i turbulente strømme er meget mere kompliceret på grund af den kvasi-periodiske karakter af de tilbagevendende løsninger.
De viste dog, at organisationenturbulens både i rum og tid fanges godt af disse strukturer. Disse resultater er nyttige til at repræsentere turbulens i form af sammenhængende strukturer og bruge deres konstanthed over tid. Målet er at overvinde den destruktive effekt af kaos på fysikeres evne til at forudsige, kontrollere og designe væskestrømme.
Hvor fører det hen?
Resultaterne af eksperimentet vil påvirke samfundetfysikere, matematikere og ingeniører, der stadig forsøger at forstå væsketurbulens. Det anses for at være det måske største uløste problem i hele videnskaben, understreger forfatterne af undersøgelsen.
I sidste ende ligger videnskabsmænds eksperimentdet matematiske grundlag for væsketurbulens, som er dynamisk af natur, ikke statistisk. Dette vil muliggøre kvantitative forudsigelser, der er kritiske for forskellige applikationer.
Dette vil ikke kun forbedre nøjagtigheden af dagligevejrudsigter, men vigtigst af alt ekstreme begivenheder som orkaner og tornadoer. Den dynamiske struktur er også vigtig for forskere, der forsøger at designe flows med de ønskede egenskaber. For eksempel vil fysikere være i stand til at reducere modstanden omkring køretøjer for at forbedre brændstofeffektiviteten.
Læs mere:
De første billeder af den underjordiske del af Mars overraskede videnskabsmænd
Fra kroppen til munden: Forskere har forstået, hvor tænderne kom fra
Hvor på kloden vil være den farligste i 2100: et nyt kort er blevet offentliggjort