Turbulencje odgrywają kluczową rolę w codziennym życiu człowieka: wpływają naloty, pogodę i klimat, oraz
Teraz fizycy z Instytutu TechnologicznegoGeorgia wykazała - numerycznie i eksperymentalnie - że turbulencje można zrozumieć i określić ilościowo za pomocą stosunkowo małego zestawu doraźnych rozwiązań podstawowych równań hydrodynamiki. Można je wstępnie obliczyć dla określonej geometrii.
Wyniki badania publikowane są w czasopiśmieMateriały Narodowej Akademii Nauk. Zespołem badawczym kierowali Roman Grigoriev i Michael Schatz, profesorowie Szkoły Fizyki Georgia Institute of Technology.
Schemat studiów fizyków. Zdjęcie: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Dość trudno jest ilościowo przewidzieć ewolucję przepływów turbulentnych i prawie każdą z ich właściwości.Symulacja numeryczna jest jedynym wiarygodnym podejściem dostępnym do prognozowania. jest strasznie drogie" – wyjaśniają autorzy badania.Celem nowej pracy jest obniżenie kosztów prognozowania.
Nowy eksperyment naukowców
Naukowcy stworzyli nową „mapę drogową”turbulencja poprzez badanie słabego przepływu turbulentnego między dwoma niezależnie obracającymi się cylindrami. Dlatego fizycy stworzyli unikalny sposób porównywania obserwacji eksperymentalnych ze strumieniami obliczonymi numerycznie. Wszystko dzięki brakowi efektów końcowych.
„Turbulencje można traktować jako pociągktóry nie tylko podąża za linią kolejową zgodnie z ustalonym harmonogramem, ale ma również taki sam kształt jak kolej, po której podróżuje ”- wyjaśniają naukowcy.
W eksperymencie fizycy zastosowali przezroczystyściany zapewniające pełny dostęp wizualny. Dzięki temu byli w stanie śledzić ruch milionów zawieszonych cząstek fluorescencyjnych. Równolegle naukowcy zastosowali zaawansowane metody do obliczania powtarzalnych rozwiązań równania różniczkowego cząstkowego (równanie Naviera-Stokesa), które rządzi przepływem płynu w warunkach dokładnie zgodnych z eksperymentem.
Eksperyment naukowców wykorzystał przezroczyste ściany do pełnego dostępu wizualnego i najnowocześniejszej wizualizacji przepływu. Zdjęcie: Michael Schatz
Powszechnie wiadomo, że płyny turbulentnezademonstrować zestaw wzorców, które nazywane są spójnymi strukturami. Nie tylko mają dobrze określony profil przestrzenny, ale także pojawiają się i znikają w pozornie przypadkowy sposób. Analizując dane eksperymentalne i liczbowe, fizycy odkryli, że wzorce przepływu i ich ewolucja przypominają te opisane przez rozwiązania ad hoc (które obliczyli). Ważne jest, aby były nawracające i niestabilne. Dlatego opisują powtarzające się wzorce przepływu w krótkich odstępach czasu. Turbulencja śledzi jedną taką decyzję po drugiej, co wyjaśnia, jakie wzorce mogą się pojawić iw jakiej kolejności.
Co zrobili naukowcy?
Wszystkie rozwiązania rekurencyjne, które znaleźli naukowcyokazał się quasi-okresowy, tj. charakteryzujący się dwiema różnymi częstotliwościami. Jedna częstotliwość opisuje ogólną rotację wzorca przepływu wokół osi symetrii przepływu, a druga opisuje zmiany kształtu wzorca przepływu w układzie odniesienia. Odpowiednie przepływy są okresowo powtarzane we współobrotach.
Fizycy porównali następnie przepływy turbulentne weksperyment i bezpośrednia symulacja numeryczna z powtarzającymi się rozwiązaniami. Okazało się, że turbulencje dokładnie śledzą jedną powtarzającą się decyzję po drugiej, o ile utrzymuje się przepływ. Takie zachowanie zostało już przewidziane dla niskowymiarowych układów chaotycznych, takich jak słynny model Lorentza.
Konfiguracja umożliwiła naukowcom zrekonstruowanie przepływu poprzez śledzenie ruchu milionów zawieszonych cząstek fluorescencyjnych. Zdjęcie: Michael Schatz
W ten sposób naukowcy eksperymentalnie zaobserwowalipowtarzalne rozwiązania do śledzenia ruchu chaotycznego w przepływach turbulentnych. Zauważyli jednak, że dynamika przepływów turbulentnych jest znacznie bardziej skomplikowana ze względu na quasi-okresowy charakter powtarzających się rozwiązań.
Pokazali jednak, że organizacjaturbulencje zarówno w przestrzeni, jak i w czasie są dobrze wychwytywane przez te struktury. Wyniki te są przydatne do przedstawiania turbulencji w postaci spójnych struktur i wykorzystywania ich stałości w czasie. Celem jest przezwyciężenie destrukcyjnego wpływu chaosu na zdolność fizyków do przewidywania, kontrolowania i projektowania przepływów płynów.
Do czego to doprowadzi?
Wyniki eksperymentu wpłyną na społecznośćfizycy, matematycy i inżynierowie, którzy wciąż próbują zrozumieć turbulencje płynów. Uważa się, że jest to prawdopodobnie największy nierozwiązany problem w całej nauce, podkreślają autorzy badania.
Ostatecznie eksperyment naukowców zakładamatematyczną podstawę turbulencji płynów, która ma charakter dynamiczny, a nie statystyczny. Umożliwi to prognozowanie ilościowe, które ma kluczowe znaczenie dla różnych zastosowań.
To nie tylko poprawi dokładność codziennegoprognozy pogody, ale przede wszystkim ekstremalne zdarzenia, takie jak huragany i tornada. Dynamiczna struktura jest również ważna dla naukowców, którzy próbują projektować przepływy o pożądanych właściwościach. Na przykład fizycy będą mogli zmniejszyć opór wokół pojazdów, aby poprawić efektywność paliwową.
Czytaj więcej:
Pierwsze zdjęcia podziemnej części Marsa zaskoczyły naukowców
Od ciała do ust: naukowcy zrozumieli, skąd pochodzą zęby
Gdzie na świecie będzie najbardziej niebezpiecznie do 2100: opublikowano nową mapę