난기류는 인간의 일상 생활에서 중요한 역할을 합니다. 비행, 날씨, 기후에 영향을 미치며,
이제 Institute of Technology의 물리학자조지아는 난류가 유체 역학의 기본 방정식에 대한 임시 솔루션의 비교적 작은 세트로 이해되고 정량화될 수 있음을 수치 및 실험적으로 입증했습니다. 특정 지오메트리에 대해 미리 계산할 수 있습니다.
연구 결과는 저널에 게재국립 과학 아카데미의 회보. 연구팀은 조지아 공과대학 물리학부 교수인 로만 그리고리예프와 마이클 샤츠가 이끌었다.
물리학자 연구 계획. 사진: Michael Schatz, Roman Grigoriev
난류의 진화를 정량적으로 예측전류와 거의 모든 속성은 매우 복잡합니다. 수치 모델링은 유일하게 신뢰할 수 있는 예측 접근 방식입니다. 문제는 “엄청나게 비용이 많이 들 수 있다”는 점이라고 연구 저자들은 설명합니다. 새로운 작업의 목표는 예측 비용을 낮추는 것입니다.
과학자들의 새로운 실험
연구원들은 새로운 "로드맵"을 만들었습니다.두 개의 독립적으로 회전하는 실린더 사이의 약한 난류를 연구하여 난류. 그래서 물리학자들은 실험적 관찰을 수치적으로 계산된 플럭스와 비교하는 독특한 방법을 만들었습니다. 모두 최종 효과가 없기 때문입니다.
"난기류는 기차로 생각할 수 있습니다.정해진 일정에 따라 철로를 따라갈 뿐만 아니라, 달리는 철로와 같은 모양을 하고 있다”고 과학자들은 설명했다.
실험에서 물리학자들은 투명완전한 시각적 접근을 제공하는 벽. 그래서 그들은 수백만 개의 부유 형광 입자의 움직임을 추적할 수 있었습니다. 동시에 과학자들은 실험과 정확히 일치하는 조건에서 유체 흐름을 제어하는 편미분 방정식(Navier-Stokes 방정식)에 대한 반복 솔루션을 계산하기 위해 고급 방법을 사용했습니다.
연구원들의 실험은 완전한 시각적 접근과 최첨단 흐름 시각화를 위해 투명한 벽을 사용했습니다. 사진: 마이클 샤츠
난류 유체가 흐른다는 것은 잘 알려져 있습니다.일관된 구조라고 불리는 일련의 패턴을 보여줍니다. 그것들은 잘 정의된 공간 프로파일을 가질 뿐만 아니라 겉보기에 무작위적인 방식으로 나타나고 사라집니다. 실험 및 수치 데이터를 분석하여 물리학자들은 유동 패턴과 그 진화가 임시 솔루션(그들이 계산한)에 의해 설명된 것과 유사하다는 것을 발견했습니다. 반복적이고 불안정한 것이 중요합니다. 따라서 짧은 간격으로 반복되는 흐름 패턴을 설명합니다. Turbulence는 이러한 결정을 차례로 추적하여 어떤 패턴이 어떤 순서로 나타날 수 있는지 설명합니다.
과학자들은 무엇을 했습니까?
과학자들이 찾은 모든 재귀 솔루션두 개의 다른 주파수를 특징으로 하는 준주기적인 것으로 판명되었습니다. 하나의 주파수는 흐름의 대칭 축 주위의 흐름 패턴의 일반적인 회전을 설명하고 다른 하나는 기준 프레임에서 흐름 패턴의 모양 변화를 설명합니다. 대응하는 흐름은 동회전 패턴으로 주기적으로 반복됩니다.
그런 다음 물리학자들은 다음과 같은 난류 흐름을 비교했습니다.반복 솔루션으로 실험 및 직접 수치 시뮬레이션. 난류는 흐름이 유지되는 한 반복적인 결정을 하나씩 정확하게 추적한다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 행동은 유명한 로렌츠 모델과 같은 저차원 혼돈 시스템에서 이미 예측되었습니다.
이 설정을 통해 연구자들은 수백만 개의 부유 형광 입자의 움직임을 추적하여 흐름을 재구성할 수 있었습니다. 사진: 마이클 샤츠
따라서 과학자들은 실험적으로 관찰난류 흐름에서 무질서한 움직임을 추적하기 위한 반복 솔루션. 그러나 그들은 난류의 역학이 순환 솔루션의 준주기적 특성으로 인해 훨씬 더 복잡하다는 점에 주목했습니다.
그러나 그들은 조직이공간과 시간의 난기류는 이러한 구조에 의해 잘 포착됩니다. 이러한 결과는 난류를 일관된 구조로 표현하고 시간 경과에 따른 불변성을 사용하는 데 유용합니다. 목표는 물리학자가 유체 흐름을 예측, 제어 및 설계하는 능력에 미치는 혼돈의 파괴적인 영향을 극복하는 것입니다.
그것이 어디로 이어지는가?
실험의 결과는 지역 사회에 영향을 미칠 것입니다유체 난류를 이해하려고 노력하는 물리학자, 수학자 및 엔지니어. 그것은 아마도 모든 과학에서 가장 큰 미해결 문제로 간주될 것이라고 연구 저자들은 강조합니다.
결국 과학자들의 실험은통계가 아니라 본질적으로 동적인 유체 난류에 대한 수학적 기초. 이를 통해 다양한 애플리케이션에 중요한 정량적 예측이 가능합니다.
이것은 매일의 정확도를 향상시킬 뿐만 아니라일기 예보, 그러나 가장 중요한 것은 허리케인과 토네이도와 같은 극단적인 사건입니다. 동적 구조는 원하는 속성으로 흐름을 설계하려는 과학자에게도 중요합니다. 예를 들어, 물리학자들은 차량 주변의 항력을 줄여 연비를 향상시킬 수 있습니다.
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