La turbolenza gioca un ruolo chiave nella vita quotidiana di una persona:voli, le condizioni meteorologiche e climatiche, e
Ora i fisici dell'Institute of TechnologyLa Georgia ha dimostrato - numericamente e sperimentalmente - che la turbolenza può essere compresa e quantificata con un insieme relativamente piccolo di soluzioni ad hoc alle equazioni fondamentali dell'idrodinamica. Possono essere precalcolati per una particolare geometria.
I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivistaAtti dell'Accademia Nazionale delle Scienze. Il gruppo di ricerca era guidato da Roman Grigoriev e Michael Schatz, professori della School of Physics presso il Georgia Institute of Technology.
Schema di studio dei fisici. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
È abbastanza difficile prevedere quantitativamente l'evoluzione dei flussi turbolenti e quasi tutte le loro proprietà.La simulazione numerica è l'unico approccio affidabile disponibile per le previsioni. è terribilmente costoso", spiegano gli autori dello studio. L'obiettivo del nuovo lavoro è quello di rendere le previsioni meno costose.
Nuovo esperimento di scienziati
I ricercatori hanno creato una nuova "road map"turbolenza studiando un flusso turbolento debole tra due cilindri a rotazione indipendente. Quindi i fisici hanno creato un modo unico per confrontare le osservazioni sperimentali con i flussi calcolati numericamente. Tutto grazie alla mancanza di effetti finali.
“La turbolenza può essere considerata come un trenoche non solo segue la ferrovia secondo l'orario prescritto, ma ha anche la stessa forma della ferrovia su cui viaggia ", spiegano gli scienziati.
Nell'esperimento, i fisici hanno usato il trasparentepareti che forniscono un accesso visivo completo. Così sono stati in grado di tracciare il movimento di milioni di particelle fluorescenti sospese. Parallelamente, gli scienziati hanno utilizzato metodi avanzati per calcolare soluzioni ricorrenti di un'equazione differenziale parziale (l'equazione di Navier-Stokes) che regola i flussi di fluido in condizioni esattamente coerenti con l'esperimento.
L'esperimento dei ricercatori ha utilizzato pareti trasparenti per un accesso visivo completo e una visualizzazione del flusso all'avanguardia. Foto: Michael Schatz
È noto che scorre un fluido turbolentodimostrare un insieme di modelli che sono chiamati strutture coerenti. Non solo hanno un profilo spaziale ben definito, ma appaiono e scompaiono anche in modo apparentemente casuale. Analizzando i dati sperimentali e numerici, i fisici hanno scoperto che i modelli di flusso e la loro evoluzione assomigliano a quelli descritti da soluzioni ad hoc (che hanno calcolato). È importante che siano ricorrenti e instabili. E, quindi, descrivono schemi di flusso ripetuti a brevi intervalli. Turbolenza tiene traccia di una di queste decisioni dopo l'altra, il che spiega quali schemi potrebbero apparire e in quale ordine.
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
Tutte soluzioni ricorsive che gli scienziati hanno trovatosi è rivelato quasi periodico, cioè caratterizzato da due frequenze differenti. Una frequenza descriveva la rotazione generale del modello di flusso attorno all'asse di simmetria del flusso e l'altra descriveva i cambiamenti nella forma del modello di flusso nel quadro di riferimento. I flussi corrispondenti vengono periodicamente ripetuti in schemi co-rotanti.
I fisici hanno quindi confrontato i flussi turbolentiesperimento e simulazione numerica diretta con soluzioni ripetute. Si è scoperto che la turbolenza traccia accuratamente una decisione ripetitiva dopo l'altra, purché il flusso venga mantenuto. Tale comportamento è già stato previsto per sistemi caotici a bassa dimensione, come il famoso modello di Lorentz.
La configurazione ha consentito ai ricercatori di ricostruire il flusso monitorando il movimento di milioni di particelle fluorescenti sospese. Foto: Michael Schatz
Così, gli scienziati hanno osservato sperimentalmentesoluzioni ricorrenti per il tracciamento del movimento caotico in flussi turbolenti. Tuttavia, hanno notato che la dinamica dei flussi turbolenti è molto più complicata a causa della natura quasi periodica delle soluzioni ricorrenti.
Tuttavia, hanno dimostrato che l'organizzazionela turbolenza sia nello spazio che nel tempo è ben catturata da queste strutture. Questi risultati sono utili per rappresentare la turbolenza in termini di strutture coerenti e utilizzare la loro costanza nel tempo. L'obiettivo è superare l'effetto distruttivo del caos sulla capacità dei fisici di prevedere, controllare e progettare flussi di fluidi.
A cosa porterà tutto questo?
I risultati dell'esperimento influenzeranno la comunitàfisici, matematici e ingegneri che stanno ancora cercando di capire la turbolenza dei fluidi. È considerato forse il più grande problema irrisolto in tutta la scienza, sottolineano gli autori dello studio.
In definitiva, l'esperimento degli scienziati si trovala base matematica per la turbolenza dei fluidi, che è di natura dinamica, non statistica. Ciò consentirà previsioni quantitative che sono fondamentali per varie applicazioni.
Questo non solo migliorerà la precisione del quotidianoprevisioni del tempo, ma soprattutto eventi estremi come uragani e tornado. La struttura dinamica è importante anche per gli scienziati che stanno cercando di progettare flussi con le proprietà desiderate. Ad esempio, i fisici saranno in grado di ridurre la resistenza intorno ai veicoli per migliorare l'efficienza del carburante.
Leggi di più:
Le prime immagini della parte sotterranea di Marte hanno sorpreso gli scienziati
Dal corpo alla bocca: gli scienziati hanno capito da dove vengono i denti
Dove sul pianeta sarà il più pericoloso entro il 2100: è stata pubblicata una nuova mappa