Турбулентность играет ключевую роль в повседневной жизни человека: она влияет на полеты, погоду и климат, а
現在、工科大学の物理学者ジョージア州は、数値的および実験的に、流体力学の基本方程式に対するアドホックな解の比較的小さなセットで乱流を理解し、定量化できることを実証しました。これらは、特定のジオメトリに対して事前に計算できます。
研究結果は雑誌に掲載されています米国科学アカデミーの議事録。研究チームは、ジョージア工科大学の物理学部の教授であるローマン・グリゴリエフとマイケル・シャッツが率いていました。
物理学者の研究のスキーム。写真：マイケル・シャッツ、ロマン・グリゴリエフ
Количественно предсказать эволюцию турбулентных течений, да и практически любые их свойства, довольно сложно. Численное моделирование — единственный надежный существующий подход для прогнозирования. Проблема в том, что это «может быть ужасно дорого», объясняют авторы исследования. Цель новой работы — сделать прогноз менее затратным.
科学者の新しい実験
研究者は新しい「ロードマップ」を作成しました独立して回転する 2 つの円柱の間の弱い乱流を研究することによる乱流。そのため、物理学者は、実験的観測と数値的に計算されたフラックスを比較する独自の方法を作成しました。エンドエフェクトの欠如のおかげです。
「乱気流は列車と考えることができます所定のスケジュールに従って鉄道をたどるだけでなく、それが移動する鉄道と同じ形をしています」と科学者は説明しています。
実験では、物理学者は透明を使用しました完全な視覚アクセスを提供する壁。そのため、何百万もの浮遊する蛍光粒子の動きを追跡することができました。並行して、科学者は高度な方法を使用して、実験と正確に一致する条件下で流体の流れを支配する偏微分方程式 (Navier-Stokes 方程式) の反復解を計算しました。
研究者の実験では、完全な視覚的アクセスと最先端の流れの視覚化のために透明な壁を使用しました。写真：マイケル・シャッツ
乱流が流れることはよく知られている.コヒーレント構造と呼ばれる一連のパターンを示します。それらは明確に定義された空間プロファイルを持っているだけでなく、一見ランダムな方法で現れたり消えたりします。物理学者は、実験データと数値データを分析して、流れのパターンとその進化が (彼らが計算した) アドホックな解によって記述されるものと似ていることを発見しました。それらが再発性で不安定であることが重要です。したがって、それらは短い間隔で繰り返されるフロー パターンを記述します。乱気流は、そのような決定を次々と追跡し、どのパターンがどのような順序で現れるかを説明します。
科学者たちは何をしましたか？
科学者が発見したすべての再帰的ソリューション準周期的であることが判明しました。つまり、2つの異なる周波数によって特徴付けられます。 1 つの周波数は、フローの対称軸を中心としたフロー パターンの全体的な回転を記述し、もう 1 つの周波数は、参照フレーム内のフロー パターンの形状の変化を記述しました。対応するフローは、同方向に回転するパターンで定期的に繰り返されます。
次に、物理学者は乱流を比較しました反復解法による実験と直接数値シミュレーション。乱気流は、流れが維持されている限り、次々と繰り返される決定を正確に追跡することが判明しました。このような挙動は、有名なローレンツ モデルなどの低次元のカオス系で既に予測されています。
このセットアップにより、研究者は何百万もの浮遊蛍光粒子の動きを追跡することで流れを再構築することができました。写真：マイケル・シャッツ
したがって、科学者は実験的に観察した乱流におけるカオス運動を追跡するための反復解。しかし、彼らは、乱流のダイナミクスは、反復解の準周期的な性質のために、はるかに複雑であることに注目しました。
しかし、彼らは組織が空間と時間の乱流は、これらの構造によってうまく捉えられます。これらの結果は、コヒーレント構造の観点から乱流を表し、時間の経過とともにその不変性を使用するのに役立ちます。目標は、流体の流れを予測、制御、および設計する物理学者の能力に対するカオスの破壊的な影響を克服することです。
К чему это приведет?
実験の結果はコミュニティに影響を与えますまだ流体乱流を理解しようとしている物理学者、数学者、エンジニア。これは、科学全体でおそらく最大の未解決の問題と考えられていると、研究の著者は強調しています。
最終的に、科学者の実験は産む統計的ではなく動的な流体乱流の数学的根拠。これにより、さまざまなアプリケーションにとって重要な定量的予測が可能になります。
これにより、毎日の精度が向上するだけでなく、天気予報だけでなく、最も重要なのは、ハリケーンや竜巻などの異常気象です。動的構造は、望ましい特性を持つ流れを設計しようとしている科学者にとっても重要です。たとえば、物理学者は車両の周りの抗力を減らして燃料効率を向上させることができます。
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