Turbulencije igraju ključnu ulogu u svakodnevnom ljudskom životu: utječu na letove, vrijeme i klimu i
Sada fizičari s Instituta za tehnologijuGeorgia je pokazala - numerički i eksperimentalno - da se turbulencija može razumjeti i kvantificirati s relativno malim skupom ad-hoc rješenja temeljnih jednadžbi hidrodinamike. Mogu se unaprijed izračunati za određenu geometriju.
Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisuZbornik radova Nacionalne akademije znanosti. Istraživački tim vodili su Roman Grigoriev i Michael Schatz, profesori na Fakultetu fizike na Institutu za tehnologiju Georgia.
Shema studija fizičara. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Kvantitativno predvidjeti evoluciju turbulentnihstruje, i gotovo sva njihova svojstva, prilično je složena. Numeričko modeliranje jedini je pouzdani dostupni pristup predviđanju. Problem je u tome što to "može biti užasno skupo", objašnjavaju autori studije. Cilj novog rada je učiniti predviđanje jeftinijim.
Novi eksperiment znanstvenika
Istraživači su napravili novu "kartu puta"turbulencija proučavanjem slabog turbulentnog strujanja između dva neovisno rotirajuća cilindra. Tako su fizičari stvorili jedinstven način za usporedbu eksperimentalnih opažanja s numerički izračunatim tokovima. Sve zahvaljujući nedostatku krajnjih učinaka.
“Turbulencija se može smatrati vlakomkoja ne samo da prati prugu prema propisanom rasporedu, već ima i isti oblik kao i pruga kojom se kreće”, objašnjavaju znanstvenici.
U eksperimentu su fizičari koristili transparentzidovi koji omogućuju potpuni vizualni pristup. Tako su mogli pratiti kretanje milijuna lebdećih fluorescentnih čestica. Paralelno, znanstvenici su koristili napredne metode za izračunavanje rekurentnih rješenja parcijalne diferencijalne jednadžbe (Navier-Stokesova jednadžba) koja upravlja tokovima fluida pod uvjetima koji su točno u skladu s eksperimentom.
Eksperiment istraživača koristio je prozirne zidove za potpuni vizualni pristup i najsuvremeniju vizualizaciju protoka. Fotografija: Michael Schatz
Dobro je poznato da turbulentna tekućina tečepokazati skup uzoraka koji se nazivaju koherentnim strukturama. Ne samo da imaju dobro definiran prostorni profil, već se pojavljuju i nestaju na naizgled nasumičan način. Analizirajući eksperimentalne i numeričke podatke, fizičari su otkrili da obrasci protoka i njihova evolucija nalikuju onima opisanim ad hoc rješenjima (koja su oni izračunali). Važno je da su recidivirajuće i nestabilne. Stoga oni opisuju ponavljajuće obrasce protoka u kratkim intervalima. Turbulencija prati jednu takvu odluku za drugom, što objašnjava koji bi se uzorci mogli pojaviti i kojim redoslijedom.
Što su znanstvenici učinili?
Sva rekurzivna rješenja koja su znanstvenici pronašlipokazalo se da je kvaziperiodično, tj. karakterizirano s dvije različite frekvencije. Jedna frekvencija opisuje opću rotaciju uzorka strujanja oko osi simetrije protoka, a druga opisuje promjene u obliku uzorka strujanja u referentnom okviru. Odgovarajući tokovi se periodički ponavljaju u ko-rotirajućim uzorcima.
Fizičari su potom usporedili turbulentna strujanjaeksperiment i izravna numerička simulacija s ponovljenim rješenjima. Ispostavilo se da turbulencija točno prati jednu ponavljajuću odluku za drugom, sve dok se protok održava. Takvo ponašanje već je predviđeno za niskodimenzionalne kaotične sustave, kao što je poznati Lorentzov model.
Postavka je omogućila istraživačima da rekonstruiraju tok praćenjem kretanja milijuna suspendiranih fluorescentnih čestica. Fotografija: Michael Schatz
Tako su znanstvenici eksperimentalno promatralirekurentna rješenja za praćenje kaotičnog gibanja u turbulentnim strujanjima. Međutim, primijetili su da je dinamika turbulentnih tokova mnogo kompliciranija zbog kvaziperiodičke prirode rekurentnih rješenja.
Međutim, pokazali su da organizacijaturbulencije u prostoru i vremenu dobro su uhvaćene ovim strukturama. Ovi su rezultati korisni za predstavljanje turbulencije u smislu koherentnih struktura i korištenje njihove postojanosti tijekom vremena. Cilj je prevladati destruktivni učinak kaosa na sposobnost fizičara da predviđaju, kontroliraju i dizajniraju tokove fluida.
Kamo to vodi?
Rezultati eksperimenta utjecat će na zajednicufizičari, matematičari i inženjeri koji još uvijek pokušavaju razumjeti turbulencije fluida. Smatra se možda najvećim neriješenim problemom u cijeloj znanosti, ističu autori studije.
U konačnici, eksperiment znanstvenika postavljamatematička osnova za turbulenciju fluida, koja je po prirodi dinamička, a ne statistička. To će omogućiti kvantitativna predviđanja koja su kritična za različite primjene.
Ovo ne samo da će poboljšati točnost dnevnogvremenske prognoze, ali što je najvažnije, ekstremne događaje poput uragana i tornada. Dinamička struktura također je važna za znanstvenike koji pokušavaju dizajnirati tokove sa željenim svojstvima. Na primjer, fizičari će moći smanjiti otpor vozila kako bi poboljšali učinkovitost goriva.
Čitaj više:
Prve slike podzemnog dijela Marsa iznenadile su znanstvenike
Od tijela do usta: znanstvenici su shvatili odakle su došli zubi
Gdje će na planeti biti najopasnije do 2100.: Objavljena nova karta