Lähes kaikki nestevirrat ovat turbulentteja, ja niissä on erilaisia tilallisia ja ajallisia rakenteita. Turbulenssi on kaoottista, jossa pienet ulkoiset häiriöt voivat johtaa huomattavasti erilaiseen käyttäytymiseen ajan myötä. Näistä ominaisuuksista huolimatta turbulenssilla voi olla virtauskuvioita, jotka säilyvät huomattavan pitkiä aikoja, joita kutsutaan koherenteiksi rakenteiksi.
Tiedemiehet ja insinöörit ovat ihmetelleet tapoja ennustaa ja muuttaa turbulenttisia nestevirtoja, ja se on pitkään pysynyt yhtenä tieteen ja tekniikan haastavimmista ongelmista.
Fyysikot Georgia-instituutti ovat kehittäneet uuden menetelmän havaita, milloin turbulenssi muistuttaa näitä koherentteja virtausrakenteita. Tällä menetelmällä he osoittivat – numeerisesti ja kokeellisesti –, että turbulenssi voidaan ymmärtää ja kvantifioida käyttämällä suhteellisen pientä joukkoa erityisratkaisuja hallitseviin yhtälöihin. Neste dynamiikkaa joka voidaan laskea etukäteen lopullisesti tietylle geometrialle.
Roman Grigoriev, fysiikan koulu, Georgia Institute of Technology, Atlanta, sanoi: ”Lähes vuosisadan ajan Turbulenssia on kuvattu tilastollisesti satunnaiseksi prosessiksi. Tuloksemme tarjoavat ensimmäisen kokeellisen esimerkin siitä, että sopivan lyhyen ajan mittakaavassa dynamiikka Turbulenssi on deterministinen - ja yhdistää sen taustalla oleviin deterministisiin hallitseviin yhtälöihin."
”Turbulenttien virtausten – ja itse asiassa lähes kaikkien niiden ominaisuuksien – kehityksen kvantitatiivinen ennustaminen on melko vaikeaa. Numeerinen simulointi on ainoa luotettava olemassa oleva ennustusmenetelmä. Mutta se voi olla kallista. Tutkimuksemme tavoitteena oli tehdä ennustamisesta halvempaa."
Tarkkailemalla heikkoa pyörteistä virtausta - kahden itsenäisesti pyörivän sylinterin välissä - tutkijat loivat uuden turbulenssin tiekartan. Tämä antoi tutkijoille mahdollisuuden verrata kokeellisia havaintoja ainutlaatuisesti numeerisesti laskettuihin virtauksiin, koska "loppuvaikutuksia" ei ollut tutuissa geometrioissa, kuten virtauksessa putkea pitkin.
Kokeessa käytettiin läpinäkyviä seiniä, jotka mahdollistavat täyden visuaalisen pääsyn ja huippuluokan virtauksen visualisoinnin, jotta tiedemiehet pystyivät rekonstruoimaan virtauksen seuraamalla miljoonien suspendoituneiden fluoresoivien hiukkasten liikettä. Samanaikaisesti he käyttivät kehittyneitä numeerisia menetelmiä osittaisdifferentiaaliyhtälön (Navier-Stokesin yhtälön) toistuvien ratkaisujen laskemiseen. Yhtälö ohjaa nestevirtoja kokeen kanssa identtisissä olosuhteissa.
Kuten edellä mainittiin, turbulenttiset nestevirrat osoittavat koherentteja rakenteita. Analysoimalla kokeellisia ja numeerisia tietojaan tutkijat havaitsivat, että nämä virtauskuviot ja niiden kehitys muistuttavat niiden laskemien erikoisratkaisujen kuvaamia.
Nämä erikoisratkaisut ovat toistuvia ja epävakaita, ja ne kuvaavat toistuvia virtauskuvioita lyhyin aikavälein. Turbulenssi seuraa ratkaisua toisensa jälkeen ja selittää kuinka ja milloin kuviot voivat ilmaantua.
Grigorjev sanoi, ”Kaikki toistuvat ratkaisut, jotka löysimme tästä geometriasta, osoittautuivat lähes jaksollisiksi, joille on ominaista kaksi eri taajuutta. Toinen taajuus kuvasi virtauskuvion kokonaiskiertoa symmetria-akselin ympäri, kun taas toinen kuvasi virtauskuvion muodon muutoksia kuvion kanssa pyörivässä vertailukehyksessä. Vastaavat virtaukset toistuvat ajoittain näissä yhdessä pyörivissä kehyksissä."
"Verrasimme sitten turbulenttisia virtauksia kokeissa ja suorissa numeerisissa simulaatioissa näihin toistuviin ratkaisuihin ja havaitsimme, että Turbulenssi seuraa (seuraa) tarkasti toistuvia ratkaisuja toisensa jälkeen niin kauan kuin turbulentti virtaus jatkui. Tällaista laadullista käyttäytymistä ennustettiin pieniulotteisille kaoottisille järjestelmille, kuten kuuluisalle Lorenzin mallille, joka johdettiin kuusi vuosikymmentä sitten suuresti yksinkertaistettuna ilmakehän mallina.
"Työ edustaa ensimmäistä kokeellista havaintoa kaoottisen liikkeen seurannan toistuvista ratkaisuista, jotka havaitaan turbulenttisissa virtauksissa. Turbulenttisten virtausten dynamiikka on tietysti paljon monimutkaisempi toistuvien ratkaisujen näennäisjaksollisuudesta johtuen.
"Tällä menetelmällä osoitimme lopullisesti, että nämä rakenteet kuvaavat hyvin Turbulenssin organisointia tilassa ja ajassa. Nämä tulokset luovat perustan Turbulenssin esittämiselle yhtenäisten rakenteiden muodossa ja niiden kestävyyden hyödyntämisessä ajassa voittaaksemme kaaoksen tuhoisat vaikutukset kykyymme ennustaa, hallita ja suunnitella nestevirtauksia.
"Nämä havainnot vaikuttavat välittömästi fyysikkojen, matemaatikoiden ja insinöörien yhteisöön, jotka yrittävät edelleen ymmärtää nestemäistä turbulenssia, joka on edelleen "ehkä suurin ratkaisematon ongelma koko tieteessä".
"Tämä työ rakentuu ja laajentaa saman ryhmän aikaisempaa nesteturbulenssia koskevaa työtä, joista osa raportoitiin Georgia Techissä vuonna 2017. Toisin kuin tuossa julkaisussa käsitelty työ, joka keskittyi idealisoituihin kaksiulotteisiin nestevirtoihin, nykyinen tutkimus käsittelee käytännössä tärkeitä ja monimutkaisempia kolmiulotteisia virtoja."
"Loppujen lopuksi tutkimus luo matemaattisen perustan nesteturbulenssille, joka on luonteeltaan dynaaminen eikä tilastollinen - ja siksi sillä on kyky tehdä kvantitatiivisia ennusteita, jotka ovat ratkaisevan tärkeitä eri sovelluksissa."
Lehden viite:
- Christopher J. Crowley et ai. Turbulenssi seuraa toistuvia ratkaisuja. Proceedings of National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2120665119
