Turbulencija atlieka pagrindinį vaidmenį kasdieniame žmogaus gyvenime: ji turi įtakos skrydžiams, orams ir klimatui bei
Dabar fizikai iš Technologijos institutoDžordžija skaitiniais ir eksperimentiniais būdais įrodė, kad turbulenciją galima suprasti ir kiekybiškai įvertinti naudojant santykinai nedidelį pagrindinių hidrodinamikos lygčių ad hoc sprendimų rinkinį. Jie gali būti iš anksto apskaičiuoti tam tikrai geometrijai.
Tyrimo rezultatai publikuojami žurnaleNacionalinės mokslų akademijos darbai. Tyrimo grupei vadovavo Džordžijos technologijos instituto Fizikos mokyklos profesoriai Romanas Grigorjevas ir Michaelas Schatzas.
Fizikų studijų schema. Nuotrauka: Michaelas Schatzas, Romanas Grigorjevas
Kiekybiškai prognozuoti turbulento raidąsrovės ir beveik visos jų savybės yra gana sudėtingos. Skaitinis modeliavimas yra vienintelis patikimas prognozavimo metodas. Problema ta, kad tai „gali būti siaubingai brangu“, – aiškina tyrimo autoriai. Naujojo darbo tikslas – kad prognozavimas būtų pigesnis.
Naujas mokslininkų eksperimentas
Tyrėjai sukūrė naują „kelių žemėlapį“turbulencija, tiriant silpną turbulentinį srautą tarp dviejų nepriklausomai besisukančių cilindrų. Taigi fizikai sukūrė unikalų būdą eksperimentiniams stebėjimams palyginti su skaitiniu būdu apskaičiuotais srautais. Viskas dėl galutinių efektų trūkumo.
„Turbulenciją galima laikyti traukiniukuris ne tik eina geležinkeliu pagal numatytą grafiką, bet ir yra tokios pat formos kaip ir geležinkelis, kuriuo važiuoja“, – aiškina mokslininkai.
Eksperimente fizikai naudojo skaidriąsienos, užtikrinančios visišką vizualinę prieigą. Taigi jie galėjo stebėti milijonų suspenduotų fluorescencinių dalelių judėjimą. Lygiagrečiai mokslininkai naudojo pažangius metodus, kad apskaičiuotų pasikartojančius dalinės diferencialinės lygties (Navier-Stokes lygties), kuri reguliuoja skysčių srautus sąlygomis, kurios tiksliai atitinka eksperimentą, sprendimus.
Tyrėjų eksperimente buvo naudojamos skaidrios sienos, užtikrinančios visišką vizualinę prieigą ir naujausią srauto vizualizaciją. Nuotrauka: Michael Schatz
Gerai žinoma, kad teka turbulentinis skystisparodykite modelių, vadinamų nuosekliomis struktūromis, rinkinį. Jie ne tik turi aiškiai apibrėžtą erdvinį profilį, bet ir atsiranda bei išnyksta iš pažiūros atsitiktinai. Analizuodami eksperimentinius ir skaitmeninius duomenis, fizikai nustatė, kad srauto modeliai ir jų raida yra panašūs į aprašytus ad hoc sprendimuose (kuriuos jie apskaičiavo). Svarbu, kad jie kartotųsi ir būtų nestabilūs. Ir todėl jie apibūdina pasikartojančius srauto modelius trumpais intervalais. Turbulencija seka vieną tokį sprendimą po kito, o tai paaiškina, kokie modeliai gali atsirasti ir kokia tvarka.
Ką padarė mokslininkai?
Visi rekursiniai sprendimai, kuriuos rado mokslininkaipasirodė esąs kvaziperiodinis, t.y., pasižymintis dviem skirtingais dažniais. Vienas dažnis apibūdino bendrą srauto modelio sukimąsi aplink srauto simetrijos ašį, o kitas – srauto modelio formos pokyčius atskaitos sistemoje. Atitinkami srautai periodiškai kartojami kartu besisukančiais modeliais.
Tada fizikai palygino turbulentinius srautuseksperimentas ir tiesioginis skaitmeninis modeliavimas su kartotiniais sprendimais. Paaiškėjo, kad turbulencija tiksliai seka vieną pasikartojantį sprendimą po kito, kol išlaikomas srautas. Toks elgesys jau buvo numatytas mažų matmenų chaotiškoms sistemoms, tokioms kaip garsusis Lorentzo modelis.
Ši sąranka leido tyrėjams rekonstruoti srautą, stebint milijonų suspenduotų fluorescencinių dalelių judėjimą. Nuotrauka: Michael Schatz
Taigi mokslininkai eksperimentiškai pastebėjopasikartojantys sprendimai, skirti sekti chaotišką judesį turbulentiniuose srautuose. Tačiau jie pažymėjo, kad turbulentinių srautų dinamika yra daug sudėtingesnė dėl pasikartojančių sprendimų kvaziperiodinio pobūdžio.
Tačiau jie parodė, kad organizacijaŠios struktūros gerai fiksuoja turbulenciją tiek erdvėje, tiek laike. Šie rezultatai yra naudingi norint parodyti turbulenciją nuoseklių struktūrų požiūriu ir naudoti jų pastovumą laikui bėgant. Tikslas – įveikti destruktyvų chaoso poveikį fizikų gebėjimui numatyti, valdyti ir projektuoti skysčių srautus.
Kur tai veda?
Eksperimento rezultatai turės įtakos bendruomeneifizikai, matematikai ir inžinieriai, kurie vis dar bando suprasti skysčių turbulenciją. Tai laikoma bene didžiausia neišspręsta problema visame moksle, pabrėžia tyrimo autoriai.
Galiausiai mokslininkų eksperimentas yramatematinis skysčio turbulencijos pagrindas, kuris yra dinaminio pobūdžio, o ne statistinis. Tai leis atlikti kiekybines prognozes, kurios yra labai svarbios įvairioms programoms.
Tai ne tik pagerins dienos tikslumąorų prognozės, bet svarbiausia – ekstremalūs įvykiai, tokie kaip uraganai ir tornadai. Dinaminė struktūra taip pat svarbi mokslininkams, kurie bando suprojektuoti norimų savybių srautus. Pavyzdžiui, fizikai galės sumažinti transporto priemonių pasipriešinimą, kad pagerintų degalų efektyvumą.
Skaityti daugiau:
Pirmieji požeminės Marso dalies vaizdai nustebino mokslininkus
Nuo kūno iki burnos: mokslininkai suprato, iš kur atsirado dantys
Kurioje planetos vietoje iki 2100 m. bus pavojingiausia: paskelbtas naujas žemėlapis