La turbulencia juega un papel clave en la vida humana cotidiana: afecta los vuelos, el tiempo y el clima, y
Ahora físicos del Instituto de TecnologíaGeorgia ha demostrado, numérica y experimentalmente, que la turbulencia se puede entender y cuantificar con un conjunto relativamente pequeño de soluciones ad-hoc para las ecuaciones fundamentales de la hidrodinámica. Se pueden precalcular para una geometría específica.
Los resultados del estudio se publican en la revistaProcedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. El equipo de investigación estuvo dirigido por Roman Grigoriev y Michael Schatz, profesores de la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia.
Esquema del estudio de los físicos. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Predecir cuantitativamente la evolución de las turbulencias.Las corrientes, y casi cualquiera de sus propiedades, es bastante compleja. El modelado numérico es el único enfoque de pronóstico confiable disponible. El problema es que "puede resultar terriblemente caro", explican los autores del estudio. El objetivo del nuevo trabajo es hacer que las previsiones sean menos costosas.
Nuevo experimento de científicos
Los investigadores han creado una nueva "hoja de ruta"turbulencia mediante el estudio de un flujo turbulento débil entre dos cilindros que giran independientemente. Entonces, los físicos han creado una forma única de comparar observaciones experimentales con flujos calculados numéricamente. Todo gracias a la falta de efectos finales.
“La turbulencia se puede considerar como un trenque no solo sigue la vía férrea según el horario prescrito, sino que también tiene la misma forma que la vía férrea sobre la que viaja”, explican los científicos.
En el experimento, los físicos utilizaronparedes que proporcionan un acceso visual completo. Entonces pudieron rastrear el movimiento de millones de partículas fluorescentes suspendidas. Paralelamente, los científicos utilizaron métodos avanzados para calcular soluciones recurrentes a una ecuación diferencial parcial (la ecuación de Navier-Stokes) que gobierna los flujos de fluidos en condiciones exactamente consistentes con el experimento.
El experimento de los investigadores utilizó paredes transparentes para un acceso visual completo y una visualización de flujo de última generación. Foto: Michael Schatz
Es bien sabido que los fluidos turbulentos fluyendemostrar un conjunto de patrones que se denominan estructuras coherentes. No solo tienen un perfil espacial bien definido, sino que también aparecen y desaparecen de forma aparentemente aleatoria. Al analizar datos experimentales y numéricos, los físicos han descubierto que los patrones de flujo y su evolución se asemejan a los descritos por las soluciones ad hoc (que ellos han calculado). Es importante que sean recurrentes e inestables. Y, por lo tanto, describen patrones de flujo repetitivos en intervalos cortos. La turbulencia rastrea una decisión tras otra, lo que explica qué patrones pueden aparecer y en qué orden.
¿Qué han hecho los científicos?
Todas las soluciones recursivas que los científicos han encontradoresultó ser cuasi-periódica, es decir, caracterizada por dos frecuencias diferentes. Una frecuencia describía la rotación general del patrón de flujo alrededor del eje de simetría del flujo y la otra describía cambios en la forma del patrón de flujo en el marco de referencia. Los flujos correspondientes se repiten periódicamente en patrones co-rotativos.
Luego, los físicos compararon los flujos turbulentos enexperimento y simulación numérica directa con soluciones repetidas. Resultó que la turbulencia rastrea con precisión una decisión repetitiva tras otra, siempre que se mantenga el flujo. Tal comportamiento ya ha sido predicho para sistemas caóticos de baja dimensión, como el famoso modelo de Lorentz.
La configuración permitió a los investigadores reconstruir el flujo mediante el seguimiento del movimiento de millones de partículas fluorescentes suspendidas. Foto: Michael Schatz
Así, los científicos observaron experimentalmentesoluciones recurrentes para el seguimiento de movimientos caóticos en flujos turbulentos. Sin embargo, notaron que la dinámica de los flujos turbulentos es mucho más complicada debido a la naturaleza casi periódica de las soluciones recurrentes.
Sin embargo, demostraron que la organizaciónEstas estructuras captan bien la turbulencia tanto en el espacio como en el tiempo. Estos resultados son útiles para representar la turbulencia en términos de estructuras coherentes y utilizar su constancia en el tiempo. El objetivo es superar el efecto destructivo del caos sobre la capacidad de los físicos para predecir, controlar y diseñar flujos de fluidos.
¿A dónde lleva?
Los resultados del experimento afectarán a la comunidad.físicos, matemáticos e ingenieros que todavía están tratando de entender la turbulencia de fluidos. Se considera quizás el mayor problema sin resolver de toda la ciencia, enfatizan los autores del estudio.
En última instancia, el experimento de los científicos establecela base matemática para la turbulencia de fluidos, que es de naturaleza dinámica, no estadística. Esto permitirá predicciones cuantitativas que son críticas para varias aplicaciones.
Esto no solo mejorará la precisión de los datos diariospronósticos meteorológicos, pero lo más importante, eventos extremos como huracanes y tornados. La estructura dinámica también es importante para los científicos que intentan diseñar flujos con las propiedades deseadas. Por ejemplo, los físicos podrán reducir la resistencia de los vehículos para mejorar la eficiencia del combustible.
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