นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธี "ควบคุม" ความวุ่นวาย อธิบายว่าทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญมาก

ความปั่นป่วนมีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของมนุษย์ โดยส่งผลต่อเที่ยวบิน สภาพอากาศ และสภาพอากาศ และ

รวมถึงเทคโนโลยีพลังงานสะอาดนอกจากนี้ยังจำกัดประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของยานพาหนะอีกด้วย อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต่างสับสนมานานแล้วว่าจะทำนายและแก้ไขการไหลของของเหลวที่ปั่นป่วนได้อย่างไร เป็นเวลานานแล้วที่สิ่งนี้ยังคงเป็นหนึ่งในปัญหาที่ยากที่สุดในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ตอนนี้นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียได้แสดงให้เห็นทั้งเชิงตัวเลขและเชิงทดลองว่าความปั่นป่วนสามารถเข้าใจและวัดปริมาณได้ด้วยชุดโซลูชันเฉพาะกิจจำนวนน้อยสำหรับสมการพื้นฐานของอุทกพลศาสตร์ สามารถคำนวณล่วงหน้าสำหรับเรขาคณิตเฉพาะ

ผลการศึกษาได้รับการตีพิมพ์ในวารสารการดำเนินการของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ทีมวิจัยนำโดย Roman Grigoriev และ Michael Schatz อาจารย์ใน School of Physics ที่ Georgia Institute of Technology

แผนการศึกษาของนักฟิสิกส์ ภาพถ่าย: “Michael Schatz, Roman Grigoriev .”

ทำนายวิวัฒนาการของความปั่นป่วนในเชิงปริมาณกระแสน้ำและคุณสมบัติเกือบทั้งหมดของกระแสน้ำนั้นค่อนข้างซับซ้อน การสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขเป็นวิธีพยากรณ์ที่เชื่อถือได้วิธีเดียวที่มีอยู่ ปัญหาคือว่า "อาจมีราคาแพงมาก" ผู้เขียนการศึกษาอธิบาย เป้าหมายของงานใหม่คือการทำให้การพยากรณ์มีราคาถูกลง

การทดลองใหม่ของนักวิทยาศาสตร์

นักวิจัยได้สร้าง "แผนที่ถนน" ใหม่ความปั่นป่วนโดยการศึกษาการไหลปั่นป่วนที่อ่อนแอระหว่างสองกระบอกสูบที่หมุนอย่างอิสระ นักฟิสิกส์จึงได้สร้างวิธีพิเศษในการเปรียบเทียบการสังเกตจากการทดลองกับฟลักซ์ที่คำนวณด้วยตัวเลข ต้องขอบคุณการขาดเอฟเฟกต์สุดท้าย

“ความปั่นป่วนถือได้ว่าเป็นรถไฟซึ่งไม่เพียงตามทางรถไฟตามตารางเวลาที่กำหนดเท่านั้น แต่ยังมีรูปร่างเหมือนกับทางรถไฟที่มันเดินทางด้วย” นักวิทยาศาสตร์อธิบาย

ในการทดลอง นักฟิสิกส์ใช้ความโปร่งใสผนังที่ให้การมองเห็นได้เต็มที่ ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคฟลูออเรสเซนต์ที่แขวนลอยได้นับล้าน ในแบบคู่ขนาน นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการขั้นสูงในการคำนวณคำตอบที่เกิดซ้ำกับสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (สมการเนเวียร์-สโตกส์) ที่ควบคุมการไหลของของไหลภายใต้สภาวะที่สอดคล้องกับการทดลองทุกประการ

การทดลองของนักวิจัยใช้ผนังโปร่งใสสำหรับการเข้าถึงด้วยตาเปล่าและการแสดงภาพการไหลที่ล้ำสมัย ภาพ: Michael Schatz

เป็นที่ทราบกันดีว่ากระแสน้ำปั่นป่วนไหลแสดงชุดของรูปแบบที่เรียกว่าโครงสร้างที่สอดคล้องกัน พวกเขาไม่เพียงแต่มีโปรไฟล์เชิงพื้นที่ที่ชัดเจนเท่านั้น แต่ยังปรากฏและหายไปในลักษณะที่ดูเหมือนสุ่มอีกด้วย การวิเคราะห์ข้อมูลการทดลองและตัวเลข นักฟิสิกส์พบว่ารูปแบบการไหลและวิวัฒนาการของพวกมันคล้ายกับที่อธิบายโดยโซลูชันเฉพาะกิจ (ซึ่งพวกเขาได้คำนวณไว้) เป็นสิ่งสำคัญที่จะเกิดขึ้นอีกและไม่เสถียร ดังนั้นจึงอธิบายรูปแบบการไหลซ้ำในช่วงเวลาสั้น ๆ ความปั่นป่วนติดตามการตัดสินใจครั้งแล้วครั้งเล่า ซึ่งอธิบายว่ารูปแบบใดที่อาจปรากฏขึ้นและในลำดับใด

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?

โซลูชันแบบเรียกซ้ำทั้งหมดที่นักวิทยาศาสตร์พบกลายเป็นกึ่งคาบ กล่าวคือ มีลักษณะความถี่ต่างกันสองความถี่ ความถี่หนึ่งอธิบายการหมุนทั่วไปของรูปแบบการไหลรอบแกนสมมาตรของการไหล และอีกความถี่หนึ่งอธิบายการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของรูปแบบการไหลในกรอบอ้างอิง โฟลว์ที่สอดคล้องกันจะถูกทำซ้ำเป็นระยะในรูปแบบการหมุนร่วม

นักฟิสิกส์จึงเปรียบเทียบกระแสที่ปั่นป่วนในการทดลองและการจำลองเชิงตัวเลขโดยตรงด้วยการแก้ปัญหาซ้ำ ปรากฎว่าความปั่นป่วนติดตามการตัดสินใจซ้ำๆ อย่างแม่นยำ ตราบใดที่กระแสยังคงอยู่ พฤติกรรมดังกล่าวได้รับการทำนายไว้แล้วสำหรับระบบที่วุ่นวายในมิติต่ำ เช่น โมเดล Lorentz ที่มีชื่อเสียง

การตั้งค่านี้อนุญาตให้นักวิจัยสร้างกระแสใหม่โดยการติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคเรืองแสงที่แขวนลอยหลายล้านตัว ภาพ: Michael Schatz

ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงได้ทดลองสังเกตโซลูชันที่เกิดซ้ำสำหรับการติดตามการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายในกระแสน้ำที่ปั่นป่วน อย่างไรก็ตาม พวกเขาตั้งข้อสังเกตว่าไดนามิกของกระแสที่ปั่นป่วนนั้นซับซ้อนกว่ามาก เนื่องจากลักษณะกึ่งคาบของวิธีแก้ปัญหาที่เกิดซ้ำ

อย่างไรก็ตาม พบว่าองค์กรโครงสร้างเหล่านี้จับความปั่นป่วนทั้งในอวกาศและในเวลาได้ดี ผลลัพธ์เหล่านี้มีประโยชน์ในการแสดงถึงความปั่นป่วนในแง่ของโครงสร้างที่สอดคล้องกันและใช้ความเสถียรเมื่อเวลาผ่านไป เป้าหมายคือการเอาชนะผลการทำลายล้างของความโกลาหลต่อความสามารถของนักฟิสิกส์ในการทำนาย ควบคุม และออกแบบการไหลของของไหล

มันนำไปสู่ที่ไหน?

ผลการทดลองจะส่งผลต่อชุมชนนักฟิสิกส์ นักคณิตศาสตร์ และวิศวกร ที่ยังคงพยายามทำความเข้าใจความปั่นป่วนของไหล ผู้เขียนของการศึกษาเน้นย้ำว่าอาจเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้แก้ไขที่ใหญ่ที่สุดในวิทยาศาสตร์ทั้งหมด

ในที่สุด การทดลองของนักวิทยาศาสตร์ก็วางพื้นฐานทางคณิตศาสตร์สำหรับความปั่นป่วนของไหล ซึ่งมีลักษณะเป็นพลวัต ไม่ใช่ทางสถิติ ซึ่งจะช่วยให้สามารถคาดการณ์เชิงปริมาณที่สำคัญสำหรับการใช้งานต่างๆ

สิ่งนี้จะไม่เพียงแต่ปรับปรุงความแม่นยำของทุกวันการพยากรณ์อากาศ แต่ที่สำคัญที่สุด เหตุการณ์รุนแรง เช่น พายุเฮอริเคนและพายุทอร์นาโด โครงสร้างไดนามิกยังมีความสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่พยายามออกแบบโฟลว์ด้วยคุณสมบัติที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น นักฟิสิกส์จะสามารถลดแรงต้านของยานพาหนะเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง

อ่านเพิ่มเติม:

ภาพแรกของส่วนใต้ดินของดาวอังคารทำให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจ

จากร่างกายสู่ปาก: นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่าฟันมาจากไหน

ที่ไหนในโลกที่จะอันตรายที่สุดในปี 2100: มีการเผยแพร่แผนที่ใหม่