Türbülans günlük insan yaşamında önemli bir rol oynar: uçuşları, hava durumunu ve iklimi etkiler ve
Şimdi Teknoloji Enstitüsü'nden fizikçilerGeorgia -sayısal ve deneysel olarak- türbülansın hidrodinamiğin temel denklemlerine yönelik nispeten küçük geçici çözümlerle anlaşılabileceğini ve nicelleştirilebileceğini gösterdi. Belirli bir geometri için önceden hesaplanabilirler.
Araştırmanın sonuçları dergide yayınlandıUlusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. Araştırma ekibi, Georgia Teknoloji Enstitüsü Fizik Okulu'nda profesör olan Roman Grigoriev ve Michael Schatz tarafından yönetildi.
Fizikçilerin çalışmasının şeması. Fotoğraf: Michael Schatz, Roman Grigoriev
Türbülansın gelişimini niceliksel olarak tahmin edinakımlar ve bunların hemen hemen tüm özellikleri oldukça karmaşıktır. Sayısal modelleme mevcut tek güvenilir tahmin yaklaşımıdır. Çalışmanın yazarları, sorunun "çok pahalı olabilmesi" olduğunu açıklıyor. Yeni çalışmanın amacı tahminleri daha ucuz hale getirmektir.
Bilim adamlarının yeni deneyi
Araştırmacılar yeni bir "yol haritası" oluşturduBağımsız olarak dönen iki silindir arasındaki zayıf türbülanslı akışı inceleyerek türbülans. Böylece fizikçiler, deneysel gözlemleri sayısal olarak hesaplanmış akılarla karşılaştırmanın benzersiz bir yolunu yarattılar. Hepsi son etkilerin olmaması sayesinde.
“Türbülans bir tren olarak düşünülebilir.sadece öngörülen programa göre demiryolunu takip etmekle kalmıyor, aynı zamanda seyahat ettiği demiryolu ile aynı şekle sahip ”diyor bilim adamları.
Deneyde fizikçiler şeffaftam görsel erişim sağlayan duvarlar. Böylece milyonlarca asılı floresan parçacığın hareketini izleyebildiler. Buna paralel olarak, bilim adamları, deneyle tam olarak tutarlı koşullar altında sıvı akışlarını yöneten kısmi bir diferansiyel denklemin (Navier-Stokes denklemi) tekrarlayan çözümlerini hesaplamak için gelişmiş yöntemler kullandılar.
Araştırmacıların deneyi, tam görsel erişim ve son teknoloji akış görselleştirmesi için şeffaf duvarlar kullandı. Fotoğraf: Michael Schatz
Türbülanslı akışkanın aktığı iyi bilinmektedir.tutarlı yapılar olarak adlandırılan bir dizi örüntü gösterir. Sadece iyi tanımlanmış bir uzamsal profile sahip olmakla kalmazlar, aynı zamanda görünüşte rastgele bir şekilde ortaya çıkarlar ve kaybolurlar. Fizikçiler, deneysel ve sayısal verileri analiz ederek, akış modellerinin ve evrimlerinin (hesapladıkları) ad hoc çözümlerle tanımlananlara benzediğini buldular. Tekrarlayıcı ve kararsız olmaları önemlidir. Ve bu nedenle, kısa aralıklarla tekrar eden akış modellerini tanımlarlar. Türbülans, bu tür kararları birbiri ardına takip eder ve bu da hangi modellerin hangi sırayla ortaya çıkabileceğini açıklar.
Bilim adamları ne yaptı?
Bilim adamlarının bulduğu tüm özyinelemeli çözümleryarı-periyodik olduğu ortaya çıktı, yani iki farklı frekansla karakterize edildi. Bir frekans, akış düzeninin akışın simetri ekseni etrafındaki genel dönüşünü ve diğeri, referans çerçevesinde akış düzeninin şeklindeki değişiklikleri tarif etti. Karşılık gelen akışlar, birlikte dönen modellerde periyodik olarak tekrarlanır.
Fizikçiler daha sonra türbülanslı akışları karşılaştırdılar.tekrarlanan çözümlerle deney ve doğrudan sayısal simülasyon. Akış korunduğu sürece, türbülansın birbiri ardına tekrarlanan kararları doğru bir şekilde takip ettiği ortaya çıktı. Bu tür davranışlar, ünlü Lorentz modeli gibi düşük boyutlu kaotik sistemler için önceden tahmin edilmiştir.
Kurulum, araştırmacıların milyonlarca asılı floresan parçacığının hareketini izleyerek akışı yeniden yapılandırmasına izin verdi. Fotoğraf: Michael Schatz
Böylece, bilim adamları deneysel olarak gözlemledilertürbülanslı akışlarda kaotik hareketi izlemek için tekrarlayan çözümler. Bununla birlikte, tekrarlayan çözümlerin yarı-periyodik doğası nedeniyle türbülanslı akışların dinamiklerinin çok daha karmaşık olduğunu belirtmişlerdir.
Ancak, örgütün olduğunu gösterdiler.hem uzayda hem de zamandaki türbülans bu yapılar tarafından iyi yakalanır. Bu sonuçlar, türbülansı tutarlı yapılar açısından temsil etmek ve zaman içindeki sabitliklerini kullanmak için faydalıdır. Amaç, fizikçilerin akışkan akışlarını tahmin etme, kontrol etme ve tasarlama yeteneği üzerindeki kaosun yıkıcı etkisinin üstesinden gelmektir.
Nereye gidiyor?
Deneyin sonuçları toplumu etkileyecekhala akışkan türbülansını anlamaya çalışan fizikçiler, matematikçiler ve mühendisler. Çalışmanın yazarları, belki de bilimin tümünde çözülmemiş en büyük problem olarak kabul ediliyor.
Nihayetinde, bilim adamlarının deneyidoğada dinamik olan, istatistiksel değil, akışkan türbülansının matematiksel temeli. Bu, çeşitli uygulamalar için kritik olan nicel tahminleri mümkün kılacaktır.
Bu sadece günlük doğruluğu artırmakla kalmayacakhava tahminleri, ama en önemlisi, kasırgalar ve hortumlar gibi aşırı olaylar. Dinamik yapı, akışları istenilen özelliklerde tasarlamaya çalışan bilim adamları için de önemlidir. Örneğin fizikçiler, yakıt verimliliğini artırmak için araçların etrafındaki sürtünmeyi azaltabilecekler.
Daha fazla oku:
Mars'ın yeraltı kısmının ilk görüntüleri bilim insanlarını şaşırttı
Vücuttan ağza: bilim adamları dişlerin nereden geldiğini anladılar
2100 yılına kadar gezegenin neresinde en tehlikeli olacak: yeni bir harita yayınlandı