Турбуленција игра кључну улогу у свакодневном животу човека: утиче на летове, време и климу и
Сада физичари са Технолошког институтаЏорџија је показала – нумерички и експериментално – да се турбуленција може разумети и квантификовати са релативно малим скупом ад-хоц решења основних једначина хидродинамике. Могу се унапред израчунати за одређену геометрију.
Резултати студије објављени су у часописуЗборник радова Националне академије наука. Истраживачки тим предводили су Роман Григориев и Мицхаел Сцхатз, професори на Факултету за физику на Технолошком институту Џорџије.
Шема студија физичара. Фото: Мицхаел Сцхатз, Роман Григориев
Квантитативно предвидети еволуцију турбулентнихструје, и скоро свако њихово својство, прилично је сложено. Нумеричко моделирање је једини доступан поуздан приступ предвиђању. Проблем је у томе што "може бити страшно скупо", објашњавају аутори студије. Циљ новог рада је да се прогнозирање појефтини.
Нови експеримент научника
Истраживачи су направили нову "мапу пута"турбуленције проучавањем слабог турбулентног струјања између два независно ротирајућа цилиндра. Тако су физичари створили јединствен начин да упореде експериментална посматрања са нумерички израчунатим флуксовима. Све захваљујући недостатку крајњих ефеката.
„Турбуленција се може замислити као возкоја не само да прати пругу по прописаном реду вожње, већ има и исти облик као и пруга којом саобраћа“, објашњавају научници.
У експерименту су физичари користили транспарентанзидови који пружају пун визуелни приступ. Тако су могли да прате кретање милиона суспендованих флуоресцентних честица. Паралелно, научници су користили напредне методе за израчунавање понављајућих решења парцијалне диференцијалне једначине (Навиер-Стокесова једначина) која управља токовима флуида под условима који су тачно у складу са експериментом.
Експеримент истраживача користио је прозирне зидове за потпун визуелни приступ и најсавременију визуелизацију тока. Фото: Мицхаел Сцхатз
Добро је познато да тече турбулентна течностдемонстрирати скуп образаца који се називају кохерентне структуре. Не само да имају добро дефинисан просторни профил, већ се појављују и нестају на наизглед насумичан начин. Анализирајући експерименталне и нумеричке податке, физичари су открили да обрасци тока и њихова еволуција личе на оне описане ад хоц решењима (која су они израчунали). Важно је да се понављају и да су нестабилни. И, стога, они описују понављајуће обрасце тока у кратким интервалима. Турбуленција прати једну такву одлуку за другом, што објашњава који се обрасци могу појавити и којим редоследом.
Шта су научници урадили?
Сва рекурзивна решења која су научници пронашлииспоставило се да је квазипериодично, тј. карактерише га две различите фреквенције. Једна фреквенција је описивала општу ротацију узорка тока око осе симетрије тока, а друга је описивала промене у облику обрасца струјања у референтном оквиру. Одговарајући токови се периодично понављају у коротирајућим обрасцима.
Физичари су затим упоредили турбулентне токовеексперимента и директне нумеричке симулације са поновљеним решењима. Показало се да турбуленција тачно прати једну понављајућу одлуку за другом, све док се ток одржава. Такво понашање је већ било предвиђено за нискодимензионалне хаотичне системе, као што је чувени Лоренцов модел.
Поставка је омогућила истраживачима да реконструишу ток праћењем кретања милиона суспендованих флуоресцентних честица. Фото: Мицхаел Сцхатз
Тако су научници експериментално посматралирекурентна решења за праћење хаотичног кретања у турбулентним струјањима. Међутим, приметили су да је динамика турбулентних токова много компликованија због квазипериодичне природе рекурентних решења.
Међутим, показали су да је организацијатурбуленција и у простору и у времену је добро ухваћена овим структурама. Ови резултати су корисни за представљање турбуленције у смислу кохерентних структура и коришћење њихове константности током времена. Циљ је да се превазиђе деструктивни ефекат хаоса на способност физичара да предвиде, контролишу и пројектују токове флуида.
Где то води?
Резултати експеримента ће утицати на заједницуфизичари, математичари и инжењери који још увек покушавају да разумеју турбуленцију флуида. Сматра се можда највећим нерешеним проблемом у целој науци, наглашавају аутори студије.
На крају крајева, експеримент научника лежиматематичка основа за турбуленцију флуида, која је по природи динамичка, а не статистичка. Ово ће омогућити квантитативна предвиђања која су критична за различите апликације.
Ово не само да ће побољшати тачност дневногвременске прогнозе, али што је најважније, екстремни догађаји као што су урагани и торнада. Динамичка структура је такође важна за научнике који покушавају да дизајнирају токове са жељеним својствима. На пример, физичари ће моћи да смање отпор око возила како би побољшали ефикасност горива.
Опширније:
Прве слике подземног дела Марса изненадиле су научнике
Од тела до уста: научници су схватили одакле долазе зуби
Где ће на планети бити најопасније до 2100. године: објављена нова мапа