Turbulens spelar en nyckelroll i det mänskliga livet: det påverkar flyg, väder och klimat, och
Nu fysiker från Tekniska HögskolanGeorgien har visat - numeriskt och experimentellt - att turbulens kan förstås och kvantifieras med en relativt liten uppsättning ad-hoc-lösningar på hydrodynamikens fundamentala ekvationer. De kan förberäknas för en viss geometri.
Resultaten av studien publiceras i tidskriftenProceedings of the National Academy of Sciences. Forskargruppen leddes av Roman Grigoriev och Michael Schatz, professorer vid School of Physics vid Georgia Institute of Technology.
Schema för studier av fysiker. Foto: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Kvantitativt förutsäga utvecklingen av turbulentaströmmar, och nästan alla deras egenskaper, är ganska komplexa. Numerisk modellering är den enda tillförlitliga prognosmetoden som finns tillgänglig. Problemet är att det "kan vara fruktansvärt dyrt", förklarar studieförfattarna. Målet med det nya arbetet är att göra prognoser billigare.
Nytt experiment av forskare
Forskare har skapat en ny "vägkarta"turbulens genom att studera ett svagt turbulent flöde mellan två oberoende roterande cylindrar. Så fysiker har skapat ett unikt sätt att jämföra experimentella observationer med numeriskt beräknade flöden. Allt tack vare bristen på sluteffekter.
"Turbulens kan ses som ett tågsom inte bara följer järnvägen enligt det föreskrivna schemat, utan också har samma form som den järnväg den färdas på, förklarar forskarna.
I experimentet använde fysiker transparentväggar som ger full visuell åtkomst. Så de kunde spåra rörelsen av miljontals suspenderade fluorescerande partiklar. Parallellt använde forskarna avancerade metoder för att beräkna återkommande lösningar till en partiell differentialekvation (Navier-Stokes-ekvationen) som styr vätskeflöden under förhållanden som exakt överensstämmer med experiment.
Forskarnas experiment använde transparenta väggar för full visuell åtkomst och toppmodern flödesvisualisering. Foto: Michael Schatz
Det är välkänt att turbulent vätska strömmardemonstrera en uppsättning mönster som kallas koherenta strukturer. De har inte bara en väldefinierad rumslig profil, de dyker också upp och försvinner på ett till synes slumpmässigt sätt. Genom att analysera experimentella och numeriska data har fysiker funnit att flödesmönster och deras utveckling liknar de som beskrivs av ad hoc-lösningar (som de har beräknat). Det är viktigt att de är återkommande och instabila. Och därför beskriver de upprepade flödesmönster med korta intervall. Turbulens spårar ett sådant beslut efter det andra, vilket förklarar vilka mönster som kan uppstå och i vilken ordning.
Vad har forskarna gjort?
Alla rekursiva lösningar som forskare har hittatvisade sig vara kvasi-periodisk, d.v.s. kännetecknad av två olika frekvenser. Den ena frekvensen beskrev den allmänna rotationen av flödesmönstret runt flödets symmetriaxel, och den andra beskrev förändringar i formen på flödesmönstret i referensramen. Motsvarande flöden upprepas periodiskt i samroterande mönster.
Fysikerna jämförde sedan de turbulenta flödena inexperiment och direkt numerisk simulering med upprepade lösningar. Det visade sig att turbulens exakt spårar det ena repetitiva beslutet efter det andra, så länge som flödet upprätthålls. Sådant beteende har redan förutspåtts för lågdimensionella kaotiska system, som den berömda Lorentz-modellen.
Inställningen gjorde det möjligt för forskarna att rekonstruera flödet genom att spåra rörelsen av miljontals suspenderade fluorescerande partiklar. Foto: Michael Schatz
Således observerade forskare experimentelltåterkommande lösningar för att spåra kaotiska rörelser i turbulenta flöden. De noterade dock att dynamiken i turbulenta flöden är mycket mer komplicerad på grund av de återkommande lösningarnas kvasi-periodiska karaktär.
De visade dock att organisationenturbulens både i rum och tid fångas väl av dessa strukturer. Dessa resultat är användbara för att representera turbulens i termer av koherenta strukturer och använda deras beständighet över tid. Målet är att övervinna den destruktiva effekten av kaos på fysikers förmåga att förutsäga, kontrollera och designa vätskeflöden.
Vart leder det?
Resultaten av experimentet kommer att påverka samhälletfysiker, matematiker och ingenjörer som fortfarande försöker förstå vätsketurbulens. Det anses kanske vara det största olösta problemet inom hela vetenskapen, framhåller författarna till studien.
I slutändan ligger forskarnas experimentden matematiska grunden för vätsketurbulens, som är dynamisk till sin natur, inte statistisk. Detta kommer att möjliggöra kvantitativa förutsägelser som är kritiska för olika tillämpningar.
Detta kommer inte bara att förbättra noggrannheten i dagligaväderprognoser, men viktigast av allt, extrema händelser som orkaner och tornados. Den dynamiska strukturen är också viktig för forskare som försöker designa flöden med önskade egenskaper. Till exempel kommer fysiker att kunna minska motståndet runt fordon för att förbättra bränsleeffektiviteten.
Läs mer:
De första bilderna av den underjordiska delen av Mars överraskade forskarna
Från kroppen till munnen: forskare har förstått var tänderna kom ifrån
Var på planeten kommer att vara farligast år 2100: en ny karta har publicerats