Turbulencie zohrávajú kľúčovú úlohu v každodennom živote človeka: ovplyvňujúlety, počasie a podnebie a
Teraz fyzici z Technologického inštitútuGeorgia preukázala - numericky a experimentálne - že turbulenciu možno pochopiť a kvantifikovať pomocou relatívne malého súboru ad-hoc riešení základných rovníc hydrodynamiky. Môžu byť vopred vypočítané pre konkrétnu geometriu.
Výsledky štúdie sú publikované v časopiseZborník Národnej akadémie vied. Výskumný tím viedli Roman Grigoriev a Michael Schatz, profesori na Fyzikálnej škole na Georgia Institute of Technology.
Schéma štúdia fyzikov. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Je dosť ťažké kvantitatívne predpovedať vývoj turbulentných tokov a takmer všetky ich vlastnosti.Numerická simulácia je jediným spoľahlivým prístupom, ktorý je k dispozícii na predpovedanie. je strašne drahý," vysvetľujú autori štúdie.Cieľom novej práce je znížiť náklady na prognózovanie.
Nový experiment vedcov
Výskumníci vytvorili novú „cestovnú mapu“turbulencie štúdiom slabého turbulentného prúdenia medzi dvoma nezávisle rotujúcimi valcami. Fyzici teda vytvorili jedinečný spôsob, ako porovnávať experimentálne pozorovania s numericky vypočítanými tokmi. To všetko vďaka nedostatku konečných efektov.
„Turbulencie si možno predstaviť ako vlakktorá nielenže sleduje železnicu podľa predpísaného harmonogramu, ale má aj rovnaký tvar ako železnica, po ktorej jazdí, “vysvetľujú vedci.
V experimente fyzici použili transparentnésteny, ktoré poskytujú úplný vizuálny prístup. Takže boli schopní sledovať pohyb miliónov suspendovaných fluorescenčných častíc. Súčasne vedci použili pokročilé metódy na výpočet opakujúcich sa riešení parciálnej diferenciálnej rovnice (rovnica Navier-Stokes), ktorá riadi toky tekutín za podmienok presne v súlade s experimentom.
Experiment výskumníkov využíval priehľadné steny pre úplný vizuálny prístup a najmodernejšiu vizualizáciu toku. Foto: Michael Schatz
Je dobre známe, že prúdi turbulentná tekutinademonštrovať súbor vzorov, ktoré sa nazývajú koherentné štruktúry. Nielenže majú dobre definovaný priestorový profil, ale tiež sa objavujú a miznú zdanlivo náhodným spôsobom. Analýzou experimentálnych a numerických údajov fyzici zistili, že vzory prúdenia a ich vývoj sa podobajú tým, ktoré sú opísané ad hoc riešeniami (ktoré vypočítali). Je dôležité, aby boli opakujúce sa a nestabilné. A preto opisujú opakujúce sa vzory toku v krátkych intervaloch. Turbulencia sleduje jedno takéto rozhodnutie za druhým, čo vysvetľuje, aké vzorce sa môžu objaviť a v akom poradí.
Čo urobili vedci?
Všetky rekurzívne riešenia, ktoré vedci našlisa ukázali ako kváziperiodické, t. j. charakterizované dvoma rôznymi frekvenciami. Jedna frekvencia opisovala všeobecnú rotáciu vzoru toku okolo osi symetrie toku a druhá opísala zmeny v tvare vzoru toku v referenčnom rámci. Zodpovedajúce toky sa periodicky opakujú v ko-rotujúcich vzoroch.
Fyzici potom porovnali turbulentné prúdenie dovnútraexperiment a priama numerická simulácia s opakovanými riešeniami. Ukázalo sa, že turbulencia presne sleduje jedno opakované rozhodnutie za druhým, pokiaľ je zachovaný prietok. Takéto správanie už bolo predpovedané pre nízkorozmerné chaotické systémy, ako je napríklad slávny Lorentzov model.
Nastavenie umožnilo výskumníkom rekonštruovať tok sledovaním pohybu miliónov suspendovaných fluorescenčných častíc. Foto: Michael Schatz
Vedci teda experimentálne pozorovaliopakujúce sa riešenia na sledovanie chaotického pohybu v turbulentných tokoch. Poznamenali však, že dynamika turbulentných tokov je oveľa komplikovanejšia v dôsledku kváziperiodickej povahy opakujúcich sa riešení.
Ukázali však, že organizTieto štruktúry dobre zachytávajú turbulencie v priestore aj v čase. Tieto výsledky sú užitočné na znázornenie turbulencie z hľadiska koherentných štruktúr a využitie ich nemennosti v čase. Cieľom je prekonať deštruktívny vplyv chaosu na schopnosť fyzikov predpovedať, riadiť a navrhovať toky tekutín.
K čomu to povedie?
Výsledky experimentu ovplyvnia komunitufyzici, matematici a inžinieri, ktorí sa stále snažia pochopiť turbulenciu tekutín. Považuje sa za azda najväčší nevyriešený problém v celej vede, zdôrazňujú autori štúdie.
Nakoniec, experiment vedcov ležímatematický základ pre turbulenciu tekutín, ktorá je svojou povahou dynamická, nie štatistická. To umožní kvantitatívne predpovede, ktoré sú kritické pre rôzne aplikácie.
Tým sa nielen zlepší denná presnosťpredpovede počasia, ale hlavne extrémne udalosti ako hurikány a tornáda. Dynamická štruktúra je dôležitá aj pre vedcov, ktorí sa snažia navrhnúť toky s požadovanými vlastnosťami. Fyzici budú napríklad schopní znížiť odpor okolo vozidiel, aby sa zlepšila spotreba paliva.
Čítaj viac:
Prvé zábery podzemnej časti Marsu vedcov prekvapili
Od tela k ústam: vedci pochopili, odkiaľ sa zuby vzali
Kde na planéte bude do roku 2100 najnebezpečnejšie: bola zverejnená nová mapa