Turbulens spiller en nøkkelrolle i hverdagen for mennesker: den påvirker flyreiser, vær og klima, og
Nå fysikere fra Teknologisk InstituttGeorgia har demonstrert - numerisk og eksperimentelt - at turbulens kan forstås og kvantifiseres med et relativt lite sett av ad-hoc-løsninger på de grunnleggende ligningene for hydrodynamikk. De kan forhåndsberegnes for en spesifikk geometri.
Resultatene av studien er publisert i tidsskriftetProceedings of the National Academy of Sciences. Forskerteamet ble ledet av Roman Grigoriev og Michael Schatz, professorer ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology.
Opplegg for studiet av fysikere. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Forutsi kvantitativt utviklingen av turbulentstrømmer, og nesten alle deres egenskaper, er ganske sammensatt. Numerisk modellering er den eneste tilgjengelige pålitelige prognosemetoden. Problemet er at det "kan være fryktelig dyrt," forklarer studieforfatterne. Målet med det nye arbeidet er å gjøre prognoser rimeligere.
Nytt eksperiment av forskere
Forskere har laget et nytt "veikart"turbulens ved å studere en svak turbulent strømning mellom to uavhengig roterende sylindre. Så fysikere har laget en unik måte å sammenligne eksperimentelle observasjoner med numerisk beregnede flukser. Alt takket være mangelen på slutteffekter.
"Turbulens kan betraktes som et togsom ikke bare følger jernbanen i henhold til den foreskrevne tidsplanen, men også har samme form som jernbanen den kjører på, forklarer forskerne.
I eksperimentet brukte fysikere gjennomsiktigvegger som gir full visuell tilgang. Så de var i stand til å spore bevegelsen til millioner av suspenderte fluorescerende partikler. Parallelt brukte forskerne avanserte metoder for å beregne tilbakevendende løsninger til en partiell differensialligning (Navier-Stokes-ligningen) som styrer væskestrømmer under forhold nøyaktig i samsvar med eksperimentet.
Forskernes eksperiment brukte gjennomsiktige vegger for full visuell tilgang og state-of-the-art flytvisualisering. Foto: Michael Schatz
Det er velkjent at turbulent væske strømmerdemonstrere et sett med mønstre som kalles koherente strukturer. Ikke bare har de en veldefinert romlig profil, de dukker også opp og forsvinner på en tilsynelatende tilfeldig måte. Ved å analysere eksperimentelle og numeriske data har fysikere funnet ut at strømningsmønstre og deres utvikling ligner de som er beskrevet av ad hoc-løsninger (som de har beregnet). Det er viktig at de er tilbakevendende og ustabile. Og derfor beskriver de gjentatte strømningsmønstre med korte intervaller. Turbulens sporer den ene avgjørelsen etter den andre, noe som forklarer hvilke mønstre som kan dukke opp og i hvilken rekkefølge.
Hva har forskerne gjort?
Alle rekursive løsninger som forskere har funnetviste seg å være kvasi-periodisk, dvs. preget av to forskjellige frekvenser. Den ene frekvensen beskrev den generelle rotasjonen av strømningsmønsteret rundt symmetriaksen til strømmen, og den andre beskrev endringer i formen på strømningsmønsteret i referanserammen. De tilsvarende strømmene gjentas periodisk i samroterende mønstre.
Fysikerne sammenlignet deretter de turbulente strømmene inneksperiment og direkte numerisk simulering med gjentatte løsninger. Det viste seg at turbulens nøyaktig sporer den ene repeterende avgjørelsen etter den andre, så lenge flyten opprettholdes. Slik oppførsel er allerede forutsagt for lavdimensjonale kaotiske systemer, slik som den berømte Lorentz-modellen.
Oppsettet tillot forskerne å rekonstruere strømmen ved å spore bevegelsen til millioner av suspenderte fluorescerende partikler. Foto: Michael Schatz
Dermed observerte forskere eksperimentelttilbakevendende løsninger for sporing av kaotisk bevegelse i turbulente strømmer. Imidlertid bemerket de at dynamikken til turbulente strømninger er mye mer komplisert på grunn av den kvasi-periodiske naturen til de tilbakevendende løsningene.
Imidlertid viste de at organisasjonenturbulens både i rom og tid fanges godt opp av disse strukturene. Disse resultatene er nyttige for å representere turbulens når det gjelder sammenhengende strukturer og bruke deres konstans over tid. Målet er å overvinne den destruktive effekten av kaos på fysikeres evne til å forutsi, kontrollere og designe væskestrømmer.
Hvor fører det hen?
Resultatene av eksperimentet vil påvirke samfunnetfysikere, matematikere og ingeniører som fortsatt prøver å forstå væsketurbulens. Det regnes som kanskje det største uløste problemet i all vitenskap, understreker forfatterne av studien.
Til syvende og sist ligger eksperimentet til forskeredet matematiske grunnlaget for væsketurbulens, som er dynamisk i naturen, ikke statistisk. Dette vil muliggjøre kvantitative spådommer som er kritiske for ulike applikasjoner.
Dette vil ikke bare forbedre nøyaktigheten av dagligværmeldinger, men viktigst av alt, ekstreme hendelser som orkaner og tornadoer. Den dynamiske strukturen er også viktig for forskere som prøver å designe strømmer med de ønskede egenskapene. For eksempel vil fysikere kunne redusere luftmotstanden rundt kjøretøy for å forbedre drivstoffeffektiviteten.
Les mer:
De første bildene av den underjordiske delen av Mars overrasket forskere
Fra kroppen til munnen: forskere har forstått hvor tennene kom fra
Hvor på kloden vil være den farligste innen 2100: et nytt kart har blitt publisert