A turbulencia kulcsszerepet játszik az ember mindennapi életében: befolyásoljajáratok, időjárás és éghajlat, valamint
Most fizikusok a Műszaki IntézetbőlGeorgia – számszerűen és kísérletileg – bebizonyította, hogy a turbulencia megérthető és számszerűsíthető a hidrodinamika alapvető egyenleteinek ad-hoc megoldásainak viszonylag kis halmazával. Előre kiszámíthatók egy adott geometriához.
A tanulmány eredményeit a folyóiratban teszik közzéProceedings of the National Academy of Sciences. A kutatócsoportot Roman Grigoriev és Michael Schatz, a Georgia Institute of Technology Fizikai Iskola professzorai vezették.
A fizikusok tanulmányozásának vázlata. Fotó: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Meglehetősen nehéz kvantitatív módon megjósolni a turbulens áramlások fejlődését és szinte minden tulajdonságát .A numerikus szimuláció az egyetlen megbízható megközelítés az előrejelzéshez. borzasztóan drága" – magyarázzák a tanulmány szerzői.Az új munka célja, hogy olcsóbbá tegye az előrejelzést.
A tudósok új kísérlete
A kutatók új "útitérképet" készítettekturbulencia vizsgálatával két egymástól függetlenül forgó henger közötti gyenge turbulens áramlást. A fizikusok tehát egyedülálló módszert hoztak létre a kísérleti megfigyelések és a numerikusan számított fluxusok összehasonlítására. Mindez a véghatások hiányának köszönhető.
„A turbulenciát úgy lehet felfogni, mint egy vonatotamely nemcsak az előírt menetrend szerint követi a vasutat, hanem ugyanolyan alakú is, mint annak a vasútnak, amelyen halad” – magyarázzák a tudósok.
A kísérletben a fizikusok átlátszót használtakfalak, amelyek teljes vizuális hozzáférést biztosítanak. Így több millió lebegő fluoreszcens részecskék mozgását tudták követni. Ezzel párhuzamosan a tudósok fejlett módszereket alkalmaztak egy parciális differenciálegyenlet (a Navier-Stokes egyenlet) visszatérő megoldásainak kiszámítására, amely a folyadékáramlást szabályozza a kísérlettel pontosan összhangban lévő körülmények között.
A kutatók kísérlete átlátszó falakat használt a teljes vizuális hozzáférés és a legmodernebb áramlási vizualizáció érdekében. Fotó: Michael Schatz
Köztudott, hogy turbulens folyadék áramlikmutasson be olyan mintákat, amelyeket koherens struktúráknak nevezünk. Nemcsak jól körülhatárolható térprofillal rendelkeznek, hanem látszólag véletlenszerűen jelennek meg és tűnnek el. Kísérleti és numerikus adatokat elemezve a fizikusok azt találták, hogy az áramlási minták és azok alakulása hasonlít az ad hoc megoldások által leírtakhoz (amelyeket kiszámítottak). Fontos, hogy visszatérőek és instabilok legyenek. Ezért rövid időközönként ismétlődő áramlási mintákat írnak le. A turbulencia egyik ilyen döntést a másik után követi, ami megmagyarázza, milyen minták jelenhetnek meg és milyen sorrendben.
Mit tettek a tudósok?
Minden rekurzív megoldás, amit a tudósok találtakkvázi-periodikusnak bizonyult, azaz két különböző gyakorisággal jellemezhető. Az egyik frekvencia az áramlási minta általános forgását írta le az áramlás szimmetriatengelye körül, a másik pedig az áramlási minta alakjának változásait a vonatkoztatási rendszerben. A megfelelő áramlások periodikusan ismétlődnek együtt forgó mintákban.
A fizikusok ezután összehasonlították a turbulens áramlásokatkísérletezés és közvetlen numerikus szimuláció ismételt megoldásokkal. Kiderült, hogy a turbulencia pontosan követi az egyik ismétlődő döntést a másik után, amíg az áramlás megmarad. Ilyen viselkedést már jósoltak az alacsony dimenziós kaotikus rendszerek esetében, mint például a híres Lorentz-modell.
A beállítás lehetővé tette a kutatók számára, hogy több millió lebegő fluoreszcens részecskék mozgásának nyomon követésével rekonstruálják az áramlást. Fotó: Michael Schatz
Így a tudósok kísérletileg megfigyeltékvisszatérő megoldások a kaotikus mozgás követésére turbulens áramlásokban. Megjegyezték azonban, hogy a turbulens áramlások dinamikája sokkal bonyolultabb az ismétlődő megoldások kvázi-periodikus jellege miatt.
Megmutatták azonban, hogy a szervezeta térben és időben bekövetkező turbulenciát jól megragadják ezek a struktúrák. Ezek az eredmények hasznosak a turbulencia koherens struktúrák szerinti ábrázolására és azok időbeli állandóságának felhasználására. A cél a káosz pusztító hatásának leküzdése a fizikusok folyadékáramlások előrejelzésére, szabályozására és tervezésére gyakorolt képességére.
Mire vezet ez?
A kísérlet eredményei hatással lesznek a közösségrefizikusok, matematikusok és mérnökök, akik még mindig próbálják megérteni a folyadékturbulenciát. Az egész tudomány talán legnagyobb megoldatlan problémájának tartják – hangsúlyozzák a tanulmány szerzői.
Végső soron a tudósok kísérlete álla folyadékturbulencia matematikai alapja, amely dinamikus természetű, nem statisztikai. Ez lehetővé teszi a különböző alkalmazásokhoz kritikus mennyiségi előrejelzéseket.
Ez nem csak a napi pontosságot javítjaidőjárás-előrejelzések, de ami a legfontosabb, szélsőséges események, például hurrikánok és tornádók. A dinamikus szerkezet azon tudósok számára is fontos, akik a kívánt tulajdonságokkal rendelkező áramlásokat próbálják megtervezni. Például a fizikusok képesek lesznek csökkenteni a járművek ellenállását az üzemanyag-hatékonyság javítása érdekében.
Olvass tovább:
A Mars föld alatti részéről készült első képek meglepték a tudósokat
A testtől a szájig: a tudósok megértették, honnan származnak a fogak
Hol lesz a legveszélyesebb a bolygón 2100-ra: új térképet tettek közzé