Peaaegu kõik vedelikuvood on turbulentsed, millel on erinevad ruumilised ja ajalised struktuurid. Turbulents on kaootiline, kus väikesed välised häired võivad aja arenedes kaasa tuua märkimisväärselt erineva käitumise. Vaatamata nendele omadustele võib turbulentsil esineda voolumustreid, mis püsivad märkimisväärse aja jooksul, mida nimetatakse koherentseteks struktuurideks.
Teadlased ja insenerid on hämmingus, kuidas ennustada ja muuta turbulentseid vedelikuvooge ning see on pikka aega jäänud üheks kõige keerulisemaks probleemiks teaduses ja tehnikas.
Füüsikud Georgia Institute of Technology on välja töötanud uue meetodi tuvastamaks, millal turbulents meenutab neid koherentseid voolustruktuure. Seda meetodit kasutades näitasid nad – arvuliselt ja eksperimentaalselt –, et turbulentsi saab mõista ja kvantifitseerida, kasutades suhteliselt väikest komplekti juhtivate võrrandite erilahendusi. vedeliku dünaamika mida saab kindla geomeetria jaoks lõplikult välja arvutada.
Roman Grigorjev, Atlanta Georgia Tehnoloogiainstituudi füüsikakool, ütles: "Ligi sajandit on turbulentsi statistiliselt kirjeldatud kui juhuslikku protsessi. Meie tulemused annavad esimese eksperimentaalse illustratsiooni selle kohta, et sobivalt lühikese aja skaalal on dünaamika Möll on deterministlik ja ühendab selle aluseks olevate deterministlike valitsevate võrranditega.
"Turbulentse voolu – ja tegelikult peaaegu kõigi nende omaduste – arengu kvantitatiivne ennustamine on üsna keeruline. Numbriline simulatsioon on ainus usaldusväärne olemasolev prognoosimisviis. Kuid see võib olla kulukas. Meie uurimistöö eesmärk oli muuta prognoosimine vähem kulukaks.
Vaadeldes nõrka turbulentset voolu, mis oli piiratud kahe iseseisvalt pöörleva silindri vahel, koostasid teadlased uue turbulentsi teekaardi. See võimaldas teadlastel võrrelda eksperimentaalseid vaatlusi ainulaadselt numbriliselt arvutatud vooludega, kuna tuttavamatel geomeetriatel, nagu torust allavool, puuduvad lõppefektid.
Katses kasutati läbipaistvaid seinu, et võimaldada täielikku visuaalset juurdepääsu ja tipptasemel voolu visualiseerimist, et võimaldada teadlastel voolu rekonstrueerida, jälgides miljonite hõljuvate fluorestseeruvate osakeste liikumist. Samal ajal kasutasid nad täiustatud arvulisi meetodeid osalise diferentsiaalvõrrandi (Navier-Stokesi võrrandi) korduvate lahenduste arvutamiseks, mis reguleerivad vedeliku voogusid katsega identsetes tingimustes.
Nagu eespool mainitud, näitavad turbulentsed vedelikuvood koherentseid struktuure. Analüüsides oma eksperimentaalseid ja arvulisi andmeid, avastasid teadlased, et need voolumustrid ja nende areng sarnanevad nende arvutatud erilahendustega.
Need erilahendused on korduvad ja ebastabiilsed, kirjeldades lühikeste ajavahemike järel korduvaid voolumustreid. Turbulents järgneb ühele lahendusele teise järel, selgitades, kuidas ja millal võivad mustrid tekkida.
Grigorjev ütles, "Kõik korduvad lahendused, mille me selles geomeetrias leidsime, osutusid kvaasiperioodilisteks, mida iseloomustasid kaks erinevat sagedust. Üks sagedus kirjeldas voolumustri üldist pöörlemist ümber sümmeetriatelje, teine aga voolumustri kuju muutusi mustriga koos pöörlevas võrdlusraamis. Vastavad voolud korduvad perioodiliselt nendes kaaspöörlevates kaadrites.
"Seejärel võrdlesime turbulentseid voogusid katsetes ja otseste numbriliste simulatsioonidega nende korduvate lahendustega ning leidsime, et turbulents jälgib (jälgib) täpselt üht korduvat lahendust teise järel, kuni turbulentne vool püsis. Sellist kvalitatiivset käitumist ennustati madalamõõtmeliste kaootiliste süsteemide jaoks, nagu kuulus Lorenzi mudel, mis tuletati kuus aastakümmet tagasi kui atmosfääri oluliselt lihtsustatud mudel.
"Töö kujutab endast esimest eksperimentaalset vaatlust turbulentsetes vooludes täheldatud kaootilise liikumise jälgimise korduvate lahenduste kohta. Turbulentsete voogude dünaamika on korduvate lahenduste kvaasiperioodilisuse tõttu muidugi palju keerulisem.
"Seda meetodit kasutades näitasime lõplikult, et need struktuurid kajastavad hästi Turbulentsi korraldust ruumis ja ajas. Need tulemused panevad aluse Turbulentsi esindamisele sidusate struktuuride osas ja nende ajas püsimise võimendamisel, et ületada kaose laastav mõju meie võimele ennustada, kontrollida ja kavandada vedelikuvooge.
"Need leiud mõjutavad kõige otsesemalt füüsikute, matemaatikute ja inseneride kogukonda, kes püüavad endiselt mõista vedeliku turbulentsi, mis on "võib-olla suurim lahendamata probleem kogu teaduses".
„See töö tugineb ja laiendab sama rühma varasemaid vedelike turbulentsi käsitlevaid töösid, millest mõnest teatati 2017. aastal Georgia Techis. Erinevalt selles väljaandes käsitletud tööst, mis keskendus idealiseeritud kahemõõtmelistele vedelikuvoogudele, käsitleb käesolev uurimus praktiliselt olulised ja keerulisemad kolmemõõtmelised vood.
"Lõppkokkuvõttes loob uuring matemaatilise aluse vedeliku turbulentsile, mis on oma olemuselt pigem dünaamiline kui statistiline - ja seega on see võimeline tegema kvantitatiivseid prognoose, mis on mitmesuguste rakenduste jaoks üliolulised."
Ajakirja viide:
- Christopher J. Crowley et al. Turbulents jälgib korduvaid lahendusi. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2120665119
