Turbulenssilla on keskeinen rooli ihmisen jokapäiväisessä elämässä: se vaikuttaa lentoihin, säähän ja ilmastoon sekä
Nyt fyysikot Teknillisestä korkeakoulustaGeorgia on osoittanut - numeerisesti ja kokeellisesti - että turbulenssi voidaan ymmärtää ja kvantifioida suhteellisen pienellä joukolla ad hoc -ratkaisuja hydrodynamiikan perusyhtälöihin. Ne voidaan laskea etukäteen tietylle geometrialle.
Tutkimuksen tulokset julkaistaan lehdessäProceedings of the National Academy of Sciences. Tutkimusryhmää johtivat Roman Grigoriev ja Michael Schatz, professorit Georgia Institute of Technologyn fysiikan korkeakoulusta.
Fyysikkojen tutkimuksen kaavio. Kuva: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Ennusta kvantitatiivisesti turbulentin kehitysvirrat ja lähes kaikki niiden ominaisuudet ovat melko monimutkaisia. Numeerinen mallintaminen on ainoa luotettava ennustemenetelmä. Ongelmana on, että se "voi olla hirveän kallista", tutkimuksen tekijät selittävät. Uuden työn tavoitteena on tehdä ennustamisesta edullisempaa.
Uusi tutkijoiden kokeilu
Tutkijat ovat luoneet uuden "tiekartan"turbulenssi tutkimalla heikkoa turbulenttia virtausta kahden itsenäisesti pyörivän sylinterin välillä. Fyysikot ovat siis luoneet ainutlaatuisen tavan verrata kokeellisia havaintoja numeerisesti laskettuihin virtauksiin. Kaikki loppuvaikutusten puuttumisen ansiosta.
”Turbulenssia voidaan pitää junanajoka ei vain seuraa rautatietä määrätyn aikataulun mukaisesti, vaan on myös saman muotoinen kuin rautatie, jolla se kulkee”, tutkijat selittävät.
Kokeessa fyysikot käyttivät läpinäkyvääseinät, jotka tarjoavat täyden visuaalisen pääsyn. Joten he pystyivät seuraamaan miljoonien suspendoituneiden fluoresoivien hiukkasten liikettä. Samanaikaisesti tutkijat käyttivät kehittyneitä menetelmiä toistuvien ratkaisujen laskemiseen osittaiseen differentiaaliyhtälöön (Navier-Stokes-yhtälöön), joka ohjaa nestevirtauksia olosuhteissa, jotka ovat täsmälleen yhdenmukaisia kokeen kanssa.
Tutkijoiden kokeessa käytettiin läpinäkyviä seiniä täydelliseen visuaaliseen pääsyyn ja huippuluokan virtauksen visualisointiin. Kuva: Michael Schatz
On hyvin tunnettua, että turbulentti neste virtaaesittele joukko kuvioita, joita kutsutaan koherenteiksi rakenteiksi. Niillä ei ole vain hyvin määritelty tilaprofiili, vaan ne myös ilmestyvät ja katoavat näennäisesti satunnaisella tavalla. Analysoimalla kokeellisia ja numeerisia tietoja fyysikot ovat havainneet, että virtauskuviot ja niiden kehitys muistuttavat ad hoc -ratkaisuissa kuvattuja (jotka he ovat laskeneet). On tärkeää, että ne ovat toistuvia ja epävakaita. Ja siksi ne kuvaavat toistuvia virtauskuvioita lyhyin väliajoin. Turbulenssi seuraa tällaista päätöstä toisensa jälkeen, mikä selittää, mitä malleja saattaa esiintyä ja missä järjestyksessä.
Mitä tutkijat ovat tehneet?
Kaikki tutkijoiden löytämät rekursiiviset ratkaisutosoittautui kvasijaksolliseksi, eli sille on tunnusomaista kaksi eri taajuutta. Toinen taajuus kuvasi virtauskuvion yleistä pyörimistä virtauksen symmetria-akselin ympäri ja toinen virtauskuvion muodon muutoksia vertailukehyksessä. Vastaavat virtaukset toistetaan ajoittain samansuuntaisina pyörivinä kuvioina.
Fyysikot vertasivat sitten sisään tulevia turbulentteja virtauksiakokeilu ja suora numeerinen simulointi toistuvilla ratkaisuilla. Kävi ilmi, että turbulenssi seuraa tarkasti toistuvaa päätöstä toisensa jälkeen, kunhan virtaus säilyy. Tällainen käyttäytyminen on jo ennustettu pieniulotteisille kaoottisille järjestelmille, kuten kuuluisalle Lorentzin mallille.
Asetuksen ansiosta tutkijat pystyivät rekonstruoimaan virtauksen seuraamalla miljoonien suspendoituneiden fluoresoivien hiukkasten liikettä. Kuva: Michael Schatz
Näin tutkijat havaitsivat kokeellisestitoistuvia ratkaisuja kaoottisen liikkeen seuraamiseen turbulenteissa virtauksissa. He kuitenkin huomauttivat, että turbulenttisten virtausten dynamiikka on paljon monimutkaisempaa johtuen toistuvien ratkaisujen kvasiperiodisesta luonteesta.
He kuitenkin osoittivat, että organisaatioNämä rakenteet sietävät hyvin turbulenssia sekä avaruudessa että ajassa. Nämä tulokset ovat hyödyllisiä kuvaamaan turbulenssia koherenttien rakenteiden muodossa ja käyttämään niiden pysyvyyttä ajan kuluessa. Tavoitteena on voittaa kaaoksen tuhoisa vaikutus fyysikkojen kykyyn ennustaa, hallita ja suunnitella nestevirtoja.
Minne se johtaa?
Kokeen tulokset vaikuttavat yhteisöönfyysikot, matemaatikot ja insinöörit, jotka yrittävät edelleen ymmärtää nestemäistä turbulenssia. Sitä pidetään ehkä koko tieteen suurimmana ratkaisemattomana ongelmana, tutkimuksen tekijät korostavat.
Viime kädessä tiedemiesten kokeilu onnesteturbulenssin matemaattinen perusta, joka on luonteeltaan dynaaminen, ei tilastollinen. Tämä mahdollistaa kvantitatiiviset ennusteet, jotka ovat kriittisiä eri sovelluksissa.
Tämä ei ainoastaan paranna päivittäisten tietojen tarkkuuttasääennusteet, mutta mikä tärkeintä, äärimmäiset tapahtumat, kuten hurrikaanit ja tornadot. Dynaaminen rakenne on tärkeä myös tutkijoille, jotka yrittävät suunnitella virtauksia, joilla on halutut ominaisuudet. Fyysikot voivat esimerkiksi vähentää vastusta ajoneuvojen ympärillä parantaakseen polttoainetehokkuutta.
Lue lisää:
Ensimmäiset kuvat Marsin maanalaisesta osasta yllättivät tutkijat
Kehosta suuhun: tutkijat ovat ymmärtäneet, mistä hampaat ovat peräisin
Missä planeetalla on vaarallisin vuoteen 2100 mennessä: uusi kartta on julkaistu