Turbulența joacă un rol cheie în viața umană de zi cu zi: afectează zborurile, vremea și clima și
Acum fizicieni de la Institutul de TehnologieGeorgia a demonstrat - numeric și experimental - că turbulența poate fi înțeleasă și cuantificată cu un set relativ mic de soluții ad-hoc la ecuațiile fundamentale ale hidrodinamicii. Ele pot fi precalculate pentru o anumită geometrie.
Rezultatele studiului sunt publicate în jurnalProceedings of the National Academy of Sciences. Echipa de cercetare a fost condusă de Roman Grigoriev și Michael Schatz, profesori la Școala de Fizică de la Institutul de Tehnologie din Georgia.
Schema studiului fizicienilor. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Preziceți cantitativ evoluția turbulentelorcurenții și aproape oricare dintre proprietățile lor sunt destul de complexe. Modelarea numerică este singura abordare de prognoză fiabilă disponibilă. Problema este că „poate fi teribil de scump”, explică autorii studiului. Scopul noii lucrări este de a face prognoza mai puțin costisitoare.
Un nou experiment al oamenilor de știință
Cercetătorii au creat o nouă „foaie de parcurs”turbulența prin studierea unui flux slab turbulent între doi cilindri care se rotesc independent. Deci, fizicienii au creat o modalitate unică de a compara observațiile experimentale cu fluxurile calculate numeric. Totul datorită lipsei efectelor finale.
„Turbulențele pot fi gândite ca un trencare nu numai că urmează calea ferată conform programului prescris, dar are și aceeași formă ca și calea ferată pe care circulă ”, explică oamenii de știință.
În experiment, fizicienii au folosit transparentpereți care oferă acces vizual complet. Așa că au reușit să urmărească mișcarea a milioane de particule fluorescente suspendate. În paralel, oamenii de știință au folosit metode avansate pentru a calcula soluții recurente la o ecuație diferențială parțială (ecuația Navier-Stokes) care guvernează fluxurile de fluid în condiții exact compatibile cu experimentul.
Experimentul cercetătorilor a folosit pereți transparenți pentru acces vizual complet și vizualizare a fluxului de ultimă generație. Foto: Michael Schatz
Este bine cunoscut faptul că curge un fluid turbulentdemonstrează un set de modele care se numesc structuri coerente. Nu numai că au un profil spațial bine definit, dar apar și dispar într-un mod aparent aleatoriu. Analizând date experimentale și numerice, fizicienii au descoperit că tiparele de curgere și evoluția lor seamănă cu cele descrise de soluții ad-hoc (pe care le-au calculat). Este important ca acestea să fie recurente și instabile. Și, prin urmare, ele descriu modele de flux repetate la intervale scurte. Turbulența urmărește o astfel de decizie după alta, ceea ce explică ce tipare ar putea apărea și în ce ordine.
Ce au făcut oamenii de știință?
Toate soluțiile recursive pe care le-au găsit oamenii de științăs-a dovedit a fi cvasi-periodic, adică caracterizat prin două frecvențe diferite. O frecvență a descris rotația generală a modelului de curgere în jurul axei de simetrie a fluxului, iar cealaltă a descris modificări ale formei modelului de curgere în cadrul de referință. Fluxurile corespunzătoare sunt repetate periodic în modele co-rotative.
Fizicienii au comparat apoi fluxurile turbulenteexperiment și simulare numerică directă cu soluții repetate. S-a dovedit că turbulențele urmăresc cu acuratețe o decizie repetitivă după alta, atâta timp cât fluxul este menținut. Un astfel de comportament a fost deja prezis pentru sistemele haotice de dimensiuni joase, cum ar fi faimosul model Lorentz.
Configurația a permis cercetătorilor să reconstruiască fluxul urmărind mișcarea a milioane de particule fluorescente suspendate. Foto: Michael Schatz
Astfel, oamenii de știință au observat experimentalsoluții recurente pentru urmărirea mișcării haotice în fluxuri turbulente. Cu toate acestea, ei au remarcat că dinamica fluxurilor turbulente este mult mai complicată din cauza naturii cvasi-periodice a soluțiilor recurente.
Cu toate acestea, au arătat că organizațiaturbulența atât în spațiu cât și în timp este bine surprinsă de aceste structuri. Aceste rezultate sunt utile pentru a reprezenta turbulențele în termeni de structuri coerente și pentru a folosi constanța acestora în timp. Scopul este de a depăși efectul distructiv al haosului asupra capacității fizicienilor de a prezice, controla și proiecta fluxurile de fluide.
Unde duce?
Rezultatele experimentului vor afecta comunitateafizicieni, matematicieni și ingineri care încă încearcă să înțeleagă turbulența fluidelor. Este considerată poate cea mai mare problemă nerezolvată din toată știința, subliniază autorii studiului.
În cele din urmă, experimentul oamenilor de știință stabileștebaza matematică pentru turbulența fluidelor, care este de natură dinamică, nu statistică. Acest lucru va permite predicții cantitative care sunt critice pentru diverse aplicații.
Acest lucru nu numai că va îmbunătăți acuratețea zilnicăprognozele meteo, dar cel mai important, evenimentele extreme precum uraganele și tornadele. Structura dinamică este, de asemenea, importantă pentru oamenii de știință care încearcă să proiecteze fluxuri cu proprietățile dorite. De exemplu, fizicienii vor putea reduce rezistența în jurul vehiculelor pentru a îmbunătăți eficiența combustibilului.
Citeste mai mult:
Primele imagini ale părții subterane a lui Marte i-au surprins pe oamenii de știință
De la corp la gură: oamenii de știință au înțeles de unde provin dinții
Unde de pe planetă va fi cel mai periculos până în 2100: o nouă hartă a fost publicată