Οι αναταράξεις διαδραματίζουν βασικό ρόλο στην καθημερινή ζωή ενός ατόμου: επηρεάζουνπτήσεις, καιρικές συνθήκες και κλίμα, και
Τώρα φυσικοί από το Ινστιτούτο ΤεχνολογίαςΗ Γεωργία έχει αποδείξει - αριθμητικά και πειραματικά - ότι οι αναταράξεις μπορούν να κατανοηθούν και να ποσοτικοποιηθούν με ένα σχετικά μικρό σύνολο ad-hoc λύσεων στις θεμελιώδεις εξισώσεις της υδροδυναμικής. Μπορούν να υπολογιστούν εκ των προτέρων για μια συγκεκριμένη γεωμετρία.
Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύονται στο περιοδικόΠρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. Επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας ήταν ο Roman Grigoriev και ο Michael Schatz, καθηγητές στη Σχολή Φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια.
Σχέδιο της μελέτης των φυσικών. Φωτογραφία: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Είναι αρκετά δύσκολο να προβλεφθεί ποσοτικά η εξέλιξη των τυρβωδών ροών και σχεδόν οποιαδήποτε από τις ιδιότητές τους .Η αριθμητική προσομοίωση είναι η μόνη αξιόπιστη προσέγγιση διαθέσιμη για πρόβλεψη. είναι τρομερά ακριβό», εξηγούν οι συντάκτες της μελέτης.Ο στόχος της νέας εργασίας είναι να καταστήσει την πρόβλεψη λιγότερο δαπανηρή.
Νέο πείραμα επιστημόνων
Ερευνητές δημιούργησαν έναν νέο «οδικό χάρτη»στροβιλισμός μελετώντας μια ασθενή τυρβώδη ροή μεταξύ δύο κυλίνδρων που περιστρέφονται ανεξάρτητα. Έτσι, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει έναν μοναδικό τρόπο σύγκρισης πειραματικών παρατηρήσεων με αριθμητικά υπολογισμένες ροές. Όλα χάρη στην έλλειψη τελικών αποτελεσμάτων.
«Οι αναταράξεις μπορούν να θεωρηθούν ως τρένοο οποίος όχι μόνο ακολουθεί τον σιδηρόδρομο σύμφωνα με το προβλεπόμενο χρονοδιάγραμμα, αλλά έχει επίσης το ίδιο σχήμα με τον σιδηρόδρομο στον οποίο ταξιδεύει », εξηγούν οι επιστήμονες.
Στο πείραμα, οι φυσικοί χρησιμοποίησαν διαφανέςτοίχους που παρέχουν πλήρη οπτική πρόσβαση. Έτσι μπόρεσαν να παρακολουθήσουν την κίνηση εκατομμυρίων αιωρούμενων σωματιδίων φθορισμού. Παράλληλα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν προηγμένες μεθόδους για να υπολογίσουν επαναλαμβανόμενες λύσεις σε μια μερική διαφορική εξίσωση (η εξίσωση Navier-Stokes) που διέπει τις ροές ρευστών υπό συνθήκες ακριβώς σύμφωνες με το πείραμα.
Το πείραμα των ερευνητών χρησιμοποίησε διαφανείς τοίχους για πλήρη οπτική πρόσβαση και προηγμένη οπτικοποίηση ροής. Φωτογραφία: Michael Schatz
Είναι γνωστό ότι ρέει τυρβώδες ρευστόεπιδεικνύουν ένα σύνολο προτύπων που ονομάζονται συνεκτικές δομές. Όχι μόνο έχουν ένα καλά καθορισμένο χωρικό προφίλ, αλλά εμφανίζονται και εξαφανίζονται με έναν φαινομενικά τυχαίο τρόπο. Αναλύοντας πειραματικά και αριθμητικά δεδομένα, οι φυσικοί βρήκαν ότι τα μοτίβα ροής και η εξέλιξή τους μοιάζουν με εκείνα που περιγράφονται από ad hoc λύσεις (τις οποίες έχουν υπολογίσει). Είναι σημαντικό να είναι επαναλαμβανόμενα και ασταθή. Και, ως εκ τούτου, περιγράφουν επαναλαμβανόμενα μοτίβα ροής σε μικρά διαστήματα. Το Turbulence παρακολουθεί τη μία τέτοια απόφαση μετά την άλλη, η οποία εξηγεί ποια μοτίβα μπορεί να εμφανιστούν και με ποια σειρά.
Τι έχουν κάνει οι επιστήμονες;
Όλες οι αναδρομικές λύσεις που έχουν βρει οι επιστήμονεςαποδείχθηκε ότι είναι σχεδόν περιοδική, δηλαδή χαρακτηρίζεται από δύο διαφορετικές συχνότητες. Η μία συχνότητα περιέγραψε τη γενική περιστροφή του σχεδίου ροής γύρω από τον άξονα συμμετρίας της ροής και η άλλη περιέγραφε αλλαγές στο σχήμα του σχεδίου ροής στο πλαίσιο αναφοράς. Οι αντίστοιχες ροές επαναλαμβάνονται περιοδικά με συν-περιστρεφόμενα μοτίβα.
Στη συνέχεια, οι φυσικοί συνέκριναν τις ταραχώδεις ροέςπείραμα και άμεση αριθμητική προσομοίωση με επαναλαμβανόμενες λύσεις. Αποδείχθηκε ότι οι αναταράξεις παρακολουθούν με ακρίβεια τη μία επαναλαμβανόμενη απόφαση μετά την άλλη, εφόσον η ροή διατηρείται. Τέτοια συμπεριφορά έχει ήδη προβλεφθεί για χαοτικά συστήματα χαμηλών διαστάσεων, όπως το περίφημο μοντέλο Lorentz.
Η ρύθμιση επέτρεψε στους ερευνητές να ανακατασκευάσουν τη ροή παρακολουθώντας την κίνηση εκατομμυρίων αιωρούμενων σωματιδίων φθορισμού. Φωτογραφία: Michael Schatz
Έτσι, οι επιστήμονες παρατήρησαν πειραματικάεπαναλαμβανόμενες λύσεις για την παρακολούθηση χαοτικής κίνησης σε τυρβώδεις ροές. Ωστόσο, σημείωσαν ότι η δυναμική των τυρβωδών ροών είναι πολύ πιο περίπλοκη λόγω της οιονεί περιοδικής φύσης των επαναλαμβανόμενων λύσεων.
Έδειξαν όμως ότι η οργάνωσηΟι αναταράξεις τόσο στο χώρο όσο και στο χρόνο αποτυπώνονται καλά από αυτές τις δομές. Αυτά τα αποτελέσματα είναι χρήσιμα για την αναπαράσταση των αναταράξεων από την άποψη των συνεκτικών δομών και τη χρήση της σταθερότητάς τους με την πάροδο του χρόνου. Ο στόχος είναι να ξεπεραστεί η καταστροφική επίδραση του χάους στην ικανότητα των φυσικών να προβλέπουν, να ελέγχουν και να σχεδιάζουν τις ροές ρευστών.
Πού θα οδηγήσει αυτό;
Τα αποτελέσματα του πειράματος θα επηρεάσουν την κοινότηταφυσικοί, μαθηματικοί και μηχανικοί που προσπαθούν ακόμη να κατανοήσουν τις αναταράξεις ρευστών. Θεωρείται ίσως το μεγαλύτερο άλυτο πρόβλημα σε όλη την επιστήμη, τονίζουν οι συντάκτες της μελέτης.
Τελικά, το πείραμα των επιστημόνων βρίσκεταιη μαθηματική βάση για τις αναταράξεις ρευστών, που είναι δυναμικής φύσης και όχι στατιστικής. Αυτό θα επιτρέψει ποσοτικές προβλέψεις που είναι κρίσιμες για διάφορες εφαρμογές.
Αυτό όχι μόνο θα βελτιώσει την ακρίβεια της καθημερινότηταςπρογνώσεις καιρού, αλλά το πιο σημαντικό, ακραία γεγονότα όπως τυφώνες και ανεμοστρόβιλοι. Η δυναμική δομή είναι επίσης σημαντική για τους επιστήμονες που προσπαθούν να σχεδιάσουν ροές με τις επιθυμητές ιδιότητες. Για παράδειγμα, οι φυσικοί θα είναι σε θέση να μειώσουν την αντίσταση γύρω από τα οχήματα για να βελτιώσουν την απόδοση καυσίμου.
Διαβάστε περισσότερα:
Οι πρώτες εικόνες του υπόγειου τμήματος του Άρη εξέπληξαν τους επιστήμονες
Από το σώμα στο στόμα: οι επιστήμονες κατάλαβαν από πού προέρχονται τα δόντια
Πού στον πλανήτη θα είναι το πιο επικίνδυνο μέχρι το 2100: δημοσιεύτηκε νέος χάρτης