تكون جميع تدفقات السوائل تقريبًا مضطربة ، وتُظهر هياكل مكانية وزمنية متنوعة. الاضطراب فوضوي ، حيث يمكن أن تؤدي الاضطرابات الخارجية الصغيرة إلى سلوك مختلف بشكل ملحوظ مع تقدم الوقت. على الرغم من هذه الخصائص ، يمكن أن يظهر الاضطراب أنماط تدفق تستمر لفترات طويلة من الزمن ، والمعروفة باسم الهياكل المتماسكة.
لقد حير العلماء والمهندسون في طرق التنبؤ وتغيير تدفقات السوائل المضطربة ، وظلت لفترة طويلة واحدة من أكثر المشكلات تحديًا في العلوم والهندسة.
علماء الفيزياء من معهد جورجيا للتكنولوجيا طوروا طريقة جديدة لاكتشاف متى يشبه الاضطراب هياكل التدفق المتماسكة هذه. باستخدام هذه الطريقة ، أظهروا - عدديًا وتجريبيًا - أنه يمكن فهم الاضطراب وقياسه باستخدام مجموعة صغيرة نسبيًا من الحلول الخاصة للمعادلات الحاكمة لـ ديناميكا السوائل يمكن حسابها مسبقًا مرة واحدة وإلى الأبد لهندسة معينة.
قال رومان غريغورييف ، مدرسة الفيزياء ، معهد جورجيا للتكنولوجيا ، أتلانتا ، "منذ ما يقرب من قرن من الزمان ، تم وصف الاضطراب إحصائيًا على أنه عملية عشوائية. توفر نتائجنا أول توضيح تجريبي ، على نطاقات زمنية قصيرة بشكل مناسب ، ديناميكيات اضطراب حتمية - وتربطها بالمعادلات الحاكمة الحتمية الأساسية ".
"التنبؤ الكمي بتطور التدفقات المضطربة - وفي الواقع ، أي من خصائصها تقريبًا - أمر صعب نوعًا ما. المحاكاة العددية هي طريقة التنبؤ الحالية الوحيدة الموثوقة. لكنها يمكن أن تكون مكلفة. كان الهدف من بحثنا هو جعل التنبؤ أقل تكلفة ".
من خلال مراقبة التدفق المضطرب الضعيف - المحصور بين أسطوانتين دائرتين بشكل مستقل - أنشأ العلماء خارطة طريق جديدة للاضطراب. سمح هذا للعلماء بمقارنة الملاحظات التجريبية بشكل فريد مع التدفقات المحسوبة عدديًا بسبب عدم وجود "تأثيرات نهائية" في الأشكال الهندسية الأكثر شيوعًا ، مثل التدفق أسفل الأنبوب.
استخدمت التجربة جدرانًا شفافة للسماح بالوصول البصري الكامل وتصور التدفق المتطور لتمكين العلماء من إعادة بناء التدفق من خلال تتبع حركة ملايين الجسيمات الفلورية المعلقة. في الوقت نفسه ، استخدموا طرقًا رقمية متقدمة لحساب الحلول المتكررة للمعادلة التفاضلية الجزئية (معادلة نافيير-ستوكس) ، والتي تحكم تدفقات السوائل في ظل ظروف مماثلة للتجربة.
كما ذكرنا أعلاه ، تظهر تدفقات السوائل المضطربة هياكل متماسكة. من خلال تحليل بياناتهم التجريبية والرقمية ، اكتشف العلماء أن أنماط التدفق هذه وتطورها تشبه تلك الموصوفة في الحلول الخاصة التي قاموا بحسابها.
هذه الحلول الخاصة متكررة وغير مستقرة ، وتصف تكرار أنماط التدفق على فترات قصيرة. يتبع الاضطراب حلًا تلو الآخر ، موضحًا كيف ومتى يمكن أن تظهر الأنماط.
جريجوريف محمد, "كل الحلول المتكررة التي وجدناها في هذه الهندسة تبين أنها شبه دورية ، تتميز بترددين مختلفين. وصف أحد الترددات الدوران العام لنمط التدفق حول محور التناظر ، بينما وصف الآخر التغييرات في شكل نمط التدفق في إطار مرجعي يتناوب مع النمط. تتكرر التدفقات المقابلة بشكل دوري في هذه الإطارات ذات التدوير المشترك ".
ثم قمنا بمقارنة التدفقات المضطربة في التجربة والمحاكاة العددية المباشرة مع هذه الحلول المتكررة ووجدنا أن Turbulence تتابع عن كثب (تتبع) حلًا متكررًا تلو الآخر ، طالما استمر التدفق المضطرب. تم التنبؤ بمثل هذه السلوكيات النوعية للأنظمة الفوضوية منخفضة الأبعاد ، مثل نموذج لورنز الشهير ، المشتق منذ ستة عقود كنموذج مبسط إلى حد كبير للغلاف الجوي ".
يمثل العمل أول ملاحظة تجريبية للحلول الفوضوية لتتبع الحركة المتكررة التي لوحظت في التدفقات المضطربة. إن ديناميكيات التدفقات المضطربة ، بالطبع ، أكثر تعقيدًا بكثير بسبب الطبيعة شبه الدورية للحلول المتكررة ".
"باستخدام هذه الطريقة ، أظهرنا بشكل قاطع أن هذه الهياكل تلتقط جيدًا تنظيم الاضطراب في المكان والزمان. تضع هذه النتائج الأساس لتمثيل الاضطراب من حيث الهياكل المتماسكة والاستفادة من ثباتها في الوقت المناسب للتغلب على الآثار المدمرة للفوضى على قدرتنا على التنبؤ ، والتحكم ، وهندسة تدفقات السوائل. "
"تؤثر هذه النتائج بشكل مباشر على مجتمع الفيزيائيين والرياضيين والمهندسين الذين ما زالوا يحاولون فهم اضطراب السوائل ، والذي يظل" ربما أكبر مشكلة لم يتم حلها في جميع العلوم. "
"يبني هذا العمل ويتوسع في العمل السابق حول اضطراب السوائل من قبل نفس المجموعة ، والتي تم الإبلاغ عن بعضها في Georgia Tech في عام 2017. على عكس العمل الذي تمت مناقشته في هذا المنشور ، والذي ركز على تدفقات السوائل ثنائية الأبعاد المثالية ، يتناول البحث الحالي عمليًا تدفقات ثلاثية الأبعاد مهمة وأكثر تعقيدًا. "
"في نهاية المطاف ، تضع الدراسة أساسًا رياضيًا لاضطراب السوائل الذي يكون ديناميكيًا ، وليس إحصائيًا ، بطبيعته - وبالتالي لديه القدرة على عمل تنبؤات كمية ، والتي تعد ضرورية للتطبيقات المختلفة."
المرجع مجلة:
- كريستوفر جيه كرولي وآخرون. الاضطراب يتتبع الحلول المتكررة. وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم. دوى: X
