Turbulentie speelt een sleutelrol in het dagelijks leven van de mens: het beïnvloedt vluchten, het weer en het klimaat
Nu natuurkundigen van het Institute of TechnologyGeorgië heeft aangetoond - numeriek en experimenteel - dat turbulentie kan worden begrepen en gekwantificeerd met een relatief kleine reeks ad-hocoplossingen voor de fundamentele vergelijkingen van de hydrodynamica. Ze kunnen vooraf worden berekend voor een bepaalde geometrie.
De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschriftProceedings van de National Academy of Sciences. Het onderzoeksteam werd geleid door Roman Grigoriev en Michael Schatz, professoren aan de School of Physics van het Georgia Institute of Technology.
Schema van de studie van natuurkundigen. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Voorspel kwantitatief de evolutie van turbulentstromingen, en bijna al hun eigenschappen, is behoorlijk complex. Numerieke modellering is de enige betrouwbare voorspellingsaanpak die beschikbaar is. Het probleem is dat het “verschrikkelijk duur kan zijn”, leggen de auteurs van het onderzoek uit. Het doel van het nieuwe werk is om prognoses goedkoper te maken.
Nieuw experiment van wetenschappers
Onderzoekers hebben een nieuwe "roadmap" gemaaktturbulentie door een zwakke turbulente stroming tussen twee onafhankelijk roterende cilinders te bestuderen. Dus hebben natuurkundigen een unieke manier ontwikkeld om experimentele waarnemingen te vergelijken met numeriek berekende fluxen. Allemaal dankzij het ontbreken van eindeffecten.
"Turbulentie kan worden gezien als een trein"die niet alleen de spoorlijn volgt volgens het voorgeschreven schema, maar ook dezelfde vorm heeft als de spoorlijn waarop hij rijdt”, leggen de wetenschappers uit.
В эксперименте физики использовали прозрачные muren die volledige visuele toegang bieden. Zo konden ze de beweging van miljoenen zwevende fluorescerende deeltjes volgen. Tegelijkertijd gebruikten de wetenschappers geavanceerde methoden om terugkerende oplossingen te berekenen voor een partiële differentiaalvergelijking (de Navier-Stokes-vergelijking) die vloeistofstromen regelt onder omstandigheden die exact overeenkomen met het experiment.
Het experiment van de onderzoekers gebruikte transparante muren voor volledige visuele toegang en ultramoderne stroomvisualisatie. Foto: Michael Schatz
Het is algemeen bekend dat turbulente vloeistof stroomteen reeks patronen demonstreren die coherente structuren worden genoemd. Ze hebben niet alleen een goed gedefinieerd ruimtelijk profiel, ze verschijnen en verdwijnen ook op een schijnbaar willekeurige manier. Door experimentele en numerieke gegevens te analyseren, hebben natuurkundigen ontdekt dat stromingspatronen en hun evolutie lijken op die beschreven door ad-hocoplossingen (die ze hebben berekend). Het is belangrijk dat ze terugkerend en onstabiel zijn. En daarom beschrijven ze zich herhalende stroompatronen met korte tussenpozen. Turbulentie volgt de ene beslissing na de andere, wat verklaart welke patronen kunnen verschijnen en in welke volgorde.
Wat hebben de wetenschappers gedaan?
Alle recursieve oplossingen die wetenschappers hebben gevondenbleek quasi-periodiek te zijn, d.w.z. gekenmerkt door twee verschillende frequenties. De ene frequentie beschreef de algemene rotatie van het stromingspatroon rond de symmetrie-as van de stroming, en de andere beschreef veranderingen in de vorm van het stromingspatroon in het referentiekader. De bijbehorende stromen worden periodiek herhaald in meedraaiende patronen.
De natuurkundigen vergeleken vervolgens de turbulente stromingen inexperiment en directe numerieke simulatie met herhaalde oplossingen. Het bleek dat turbulentie de ene repetitieve beslissing na de andere nauwkeurig volgt, zolang de stroming maar in stand blijft. Dergelijk gedrag is al voorspeld voor laagdimensionale chaotische systemen, zoals het beroemde Lorentz-model.
Dankzij de opstelling konden de onderzoekers de stroom reconstrueren door de beweging van miljoenen gesuspendeerde fluorescerende deeltjes te volgen. Foto: Michael Schatz
Zo hebben wetenschappers experimenteel geobserveerd:terugkerende oplossingen voor het volgen van chaotische bewegingen in turbulente stromingen. Ze merkten echter op dat de dynamiek van turbulente stromingen veel gecompliceerder is vanwege de quasi-periodieke aard van de terugkerende oplossingen.
Ze lieten echter zien dat de organisatieturbulentie zowel in de ruimte als in de tijd wordt goed opgevangen door deze structuren. Deze resultaten zijn nuttig om turbulentie weer te geven in termen van coherente structuren en hun constantheid in de tijd te gebruiken. Het doel is om het destructieve effect van chaos op het vermogen van natuurkundigen om vloeistofstromen te voorspellen, te beheersen en te ontwerpen te overwinnen.
Waar leidt het toe?
De resultaten van het experiment hebben invloed op de gemeenschapnatuurkundigen, wiskundigen en ingenieurs die nog steeds proberen vloeistofturbulentie te begrijpen. Het wordt beschouwd als misschien wel het grootste onopgeloste probleem in de hele wetenschap, benadrukken de auteurs van de studie.
Uiteindelijk blijkt uit het experiment van wetenschappers:de wiskundige basis voor vloeistofturbulentie, die dynamisch van aard is, niet statistisch. Dit maakt kwantitatieve voorspellingen mogelijk die cruciaal zijn voor verschillende toepassingen.
Dit zal niet alleen de nauwkeurigheid van de dagelijkseweersvoorspellingen, maar vooral extreme gebeurtenissen zoals orkanen en tornado's. De dynamische structuur is ook van belang voor wetenschappers die stromen met de gewenste eigenschappen proberen te ontwerpen. Natuurkundigen zullen bijvoorbeeld de luchtweerstand rond voertuigen kunnen verminderen om de brandstofefficiëntie te verbeteren.
Lees verder:
De eerste beelden van het ondergrondse deel van Mars verrasten wetenschappers
Van het lichaam naar de mond: wetenschappers hebben begrepen waar de tanden vandaan kwamen
Waar ter wereld zal tegen 2100 het gevaarlijkst zijn: er is een nieuwe kaart gepubliceerd