Turbulencei ir galvenā loma cilvēka ikdienas dzīvē: tā ietekmē lidojumus, laikapstākļus un klimatu, kā arī
Tagad fiziķi no Tehnoloģiju institūtaDžordžija ir pierādījusi - skaitliski un eksperimentāli -, ka turbulenci var saprast un kvantitatīvi noteikt ar salīdzinoši nelielu hidrodinamikas pamatvienādojumu ad-hoc risinājumu kopumu. Tos var iepriekš aprēķināt noteiktai ģeometrijai.
Pētījuma rezultāti publicēti žurnālāProceedings of the National Academy of Sciences. Pētnieku grupu vadīja Džordžijas Tehnoloģiju institūta Fizikas skolas profesori Romāns Grigorjevs un Maikls Šacs.
Fiziķu studiju shēma. Foto: Mihaels Šacs, Romāns Grigorjevs
Kvantitatīvi prognozējiet turbulentu attīstībustraumes un gandrīz visas to īpašības ir diezgan sarežģītas. Skaitliskā modelēšana ir vienīgā uzticamā prognozēšanas pieeja. Problēma ir tā, ka tas "var būt šausmīgi dārgi", skaidro pētījuma autori. Jaunā darba mērķis ir padarīt prognozēšanu lētāku.
Jauns zinātnieku eksperiments
Pētnieki ir izveidojuši jaunu "ceļa karti"turbulence, pētot vāju turbulentu plūsmu starp diviem neatkarīgi rotējošiem cilindriem. Tātad fiziķi ir radījuši unikālu veidu, kā salīdzināt eksperimentālos novērojumus ar skaitliski aprēķinātām plūsmām. Tas viss, pateicoties gala efektu trūkumam.
"Turbulenci var uzskatīt par vilcienukas ne tikai iet pa dzelzceļu saskaņā ar noteikto grafiku, bet arī ir tāda pati forma kā dzelzceļam, pa kuru tas pārvietojas,” skaidro zinātnieki.
Eksperimentā fiziķi izmantoja caurspīdīgusienas, kas nodrošina pilnīgu vizuālo piekļuvi. Tātad viņi varēja izsekot miljoniem suspendētu fluorescējošu daļiņu kustībai. Paralēli zinātnieki izmantoja uzlabotas metodes, lai aprēķinātu atkārtotus risinājumus daļējam diferenciālvienādojumam (Navier-Stokes vienādojumam), kas regulē šķidruma plūsmas apstākļos, kas precīzi atbilst eksperimentam.
Pētnieku eksperimentā tika izmantotas caurspīdīgas sienas, lai nodrošinātu pilnīgu vizuālo piekļuvi un modernu plūsmas vizualizāciju. Foto: Michael Schatz
Ir labi zināms, ka turbulents šķidrums plūstparādīt modeļu kopumu, ko sauc par koherentām struktūrām. Tiem ir ne tikai skaidri definēts telpiskais profils, tie arī parādās un pazūd šķietami nejaušā veidā. Analizējot eksperimentālos un skaitliskos datus, fiziķi ir atklājuši, ka plūsmas modeļi un to attīstība līdzinās tiem, kas aprakstīti ad hoc risinājumos (kurus viņi ir aprēķinājuši). Ir svarīgi, lai tie būtu atkārtoti un nestabili. Un tāpēc tie apraksta atkārtotus plūsmas modeļus īsos intervālos. Turbulence izseko vienu šādu lēmumu pēc otra, kas izskaidro, kādi modeļi var parādīties un kādā secībā.
Ko zinātnieki ir izdarījuši?
Visi rekursīvie risinājumi, ko atraduši zinātniekiizrādījās kvaziperiodisks, t.i., ko raksturo divas dažādas frekvences. Viena frekvence aprakstīja plūsmas modeļa vispārējo rotāciju ap plūsmas simetrijas asi, bet otra aprakstīja plūsmas modeļa formas izmaiņas atskaites sistēmā. Atbilstošās plūsmas periodiski atkārtojas līdzās rotējošās shēmās.
Pēc tam fiziķi salīdzināja turbulentās plūsmaseksperiments un tieša skaitliska simulācija ar atkārtotiem risinājumiem. Izrādījās, ka turbulence precīzi izseko vienu atkārtotu lēmumu pēc otra, ja vien plūsma tiek uzturēta. Šāda uzvedība jau ir prognozēta zemu dimensiju haotiskām sistēmām, piemēram, slavenajam Lorenca modelim.
Iestatījums ļāva pētniekiem rekonstruēt plūsmu, izsekojot miljoniem suspendētu fluorescējošu daļiņu kustību. Foto: Michael Schatz
Tādējādi zinātnieki eksperimentāli novērojaatkārtoti risinājumi haotiskas kustības izsekošanai turbulentās plūsmās. Tomēr viņi atzīmēja, ka turbulento plūsmu dinamika ir daudz sarežģītāka atkārtoto risinājumu kvaziperiodiskā rakstura dēļ.
Tomēr viņi parādīja, ka organizācijašīs struktūras labi uztver turbulenci gan telpā, gan laikā. Šie rezultāti ir noderīgi, lai attēlotu turbulenci saskaņotu struktūru izteiksmē un izmantotu to noturību laika gaitā. Mērķis ir pārvarēt haosa postošo ietekmi uz fiziķu spēju paredzēt, kontrolēt un projektēt šķidruma plūsmas.
Kur tas ved?
Eksperimenta rezultāti ietekmēs sabiedrībufiziķi, matemātiķi un inženieri, kuri joprojām cenšas izprast šķidruma turbulenci. Tā tiek uzskatīta par, iespējams, lielāko neatrisināto problēmu visā zinātnē, uzsver pētījuma autori.
Galu galā zinātnieku eksperiments iršķidruma turbulences matemātiskais pamats, kas pēc būtības ir dinamisks, nevis statistisks. Tas ļaus veikt kvantitatīvās prognozes, kas ir būtiskas dažādiem lietojumiem.
Tas ne tikai uzlabos ikdienas precizitātilaika prognozes, bet pats galvenais – ekstrēmi notikumi, piemēram, viesuļvētras un viesuļvētras. Dinamiskā struktūra ir svarīga arī zinātniekiem, kuri cenšas veidot plūsmas ar vēlamajām īpašībām. Piemēram, fiziķi varēs samazināt pretestību ap transportlīdzekļiem, lai uzlabotu degvielas efektivitāti.
Lasīt vairāk:
Pirmie Marsa pazemes daļas attēli pārsteidza zinātniekus
No ķermeņa līdz mutei: zinātnieki ir sapratuši, no kurienes nāk zobi
Kur uz planētas būs visbīstamākā līdz 2100. gadam: ir publicēta jauna karte