Turbulenzbälle werden mithilfe von Wirbelringen isoliert – Physics World

Forscher in den USA haben einen Turbulenzball in einem Wassertank isoliert und ihn durch das Abfeuern von Wirbelringen aus den Ecken des Tanks aufrechterhalten. William Irvine und Kollegen von der University of Chicago sagen, dass ihre neue Technik zu einer Veränderung in der Art und Weise führen könnte, wie Turbulenzen experimentell untersucht werden.

Von Wirbeln in einem Strom bis hin zu Gaswirbeln im interstellaren Raum – Turbulenzen unterliegen dem Verhalten vieler verschiedener Systeme in der Natur. Seine Hauptmerkmale sind leicht zu erkennen und umfassen unregelmäßige und unregelmäßige Schwankungen der Geschwindigkeit und des Drucks. Doch trotz ihrer Allgegenwärtigkeit fällt es Forschern schwer, genau zu beschreiben, wie sich turbulente Flüssigkeiten verhalten.

„Überall um uns herum treten Turbulenzen auf, aber sie entziehen sich immer wieder einer Beschreibung, die Physiker für befriedigend halten.“ Irvine erklärt. „Wenn Sie zum Beispiel fragen: Kann ich vorhersagen, was als nächstes passiert, wenn ich in diesen Turbulenzenbereich stoße? Die Antwort ist nein. Nicht einmal wirklich mit einem Supercomputer.“

Kontrollierte Störungen

Während Turbulenzen im Labor erzeugt und untersucht werden können, ist es sehr schwierig zu verhindern, dass eine turbulente Flüssigkeit mit den Wänden ihres Behälters oder dem Rührgerät, das zur Erzeugung von Turbulenzen verwendet wird, interagiert. Bisher hat dieser Rückschlag die Physiker daran gehindert zu verstehen, wie sich turbulente Flüssigkeiten im Laufe der Zeit entwickeln, wenn sie ungestört bleiben, oder wie sie auf kontrollierte Störungen reagieren.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, versuchte Irvines Team, mithilfe von Wirbelringen einen vollständig isolierten Turbulenzbereich zu erzeugen. Hierbei handelt es sich um kreisförmige Flüssigkeitswirbel, die beim Zusammenstoß miteinander Turbulenzen erzeugen.

Zunächst taten Irvine und Kollegen dies, indem sie an beiden Enden eines Wassertanks wirbelerzeugende Ringdüsen platzierten. Das Wasser wurde mit Blasen gesät, um die Bewegungen der Ringe sichtbar zu machen. Obwohl anfangs Turbulenzen beobachtet wurden, vereinigten sich die Strömungen schließlich wieder und bildeten neue Ringe, die vom ursprünglichen Kollisionspunkt abgelenkt wurden.

Acht Wirbelringe

In ihrer neuesten Studie platzierte Irvines Team stattdessen eine Ringdüse an jeder Ecke des Tanks – mit weitaus interessanteren Ergebnissen. Als die acht Wirbelringe kollidierten, erzeugten sie in der Mitte des Tanks einen annähernd kugelförmigen Turbulenzball. Der Ball war nicht nur vollständig von den Tankwänden isoliert; Es könnte aufrechterhalten werden, indem einfach in regelmäßigen Abständen weitere Wirbelringe in den Tank abgefeuert würden.

„Niemand wusste, dass das überhaupt möglich ist“, sagt ein Teammitglied Takumi Matsuzawa. „Turbulenzen sind sehr gut darin, Dinge zu vermischen; Wenn Sie Ihre Milch in Ihren Kaffee mischen, können Sie nur ein oder zwei Mal schwenken, bevor die Milch vollständig vermischt ist. Die Tatsache, dass wir es an Ort und Stelle eindämmen können, ist sehr überraschend.“

Es ist, als würde man ruhig auf einem Feld sitzen und ein Picknick machen und einem Sturm zusehen, der in 50 Metern Entfernung tobt

William Irvine

Mit diesem Aufbau konnte das Team Wirbelringe wie LEGO-Blöcke kombinieren und dabei Parameter wie die Energie und Helizität der Ringe steuern – letztere beschreibt, ob sich die Wirbel im oder gegen den Uhrzeigersinn drehten.

Ist turbulente Strömung doch universell?

Im Gegenzug konnten sie die Parameter der Turbulenz im Inneren des Balls feinabstimmen und dann beobachten, wie sie sich entwickelte, als sie sie mit mehr Wirbelringen aufrechterhielten – oder wie sie sich auflöste, als sie aufhörten, neue Ringe hinzuzufügen. „Es ist, als würde man ruhig auf einem Feld sitzen, ein Picknick machen und einem Sturm in 50 Metern Entfernung zusehen“, beschreibt Irvine.

Die Forscher hoffen nun, dass ihre Arbeit zu einem Durchbruch bei der Entwicklung neuer Techniken zur Untersuchung von Turbulenzen führen könnte. Indem sie turbulente Strömungen mithilfe von Wirbelringen formen, schlagen sie vor, dass Turbulenz als ein Zustand der Materie behandelt werden könnte, dessen Merkmale sorgfältig kontrolliert und manipuliert werden können.

Dies könnte wiederum den Weg für eine Vielzahl neuer Experimente ebnen, bei denen viele verschiedene Beispiele turbulenter Strömungen in der Natur untersucht werden. „Ich hoffe wirklich, dass dies dazu beitragen kann, einen neuen Spielplatz auf diesem Gebiet zu eröffnen“, sagt Irvine.

Die Forschung ist beschrieben in Naturphysik.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/