Hampir semua aliran fluida bersifat turbulen, menunjukkan struktur spasial dan temporal yang beragam. Turbulensi adalah kacau, di mana gangguan eksternal kecil dapat menyebabkan perilaku yang sangat berbeda seiring waktu berkembang. Terlepas dari sifat-sifat ini, Turbulensi dapat menunjukkan pola aliran yang bertahan selama jangka waktu yang substansial, yang dikenal sebagai struktur koheren.
Para ilmuwan dan insinyur telah bingung tentang cara untuk memprediksi dan mengubah aliran fluida turbulen, dan itu telah lama menjadi salah satu masalah yang paling menantang dalam sains dan teknik.
Fisikawan dari Georgia Institute of Technology telah mengembangkan metode baru untuk mendeteksi ketika Turbulensi menyerupai struktur aliran yang koheren ini. Dengan menggunakan metode ini, mereka mendemonstrasikan – secara numerik dan eksperimental – bahwa Turbulensi dapat dipahami dan dikuantifikasi menggunakan solusi khusus yang relatif kecil untuk persamaan yang mengatur dinamika fluida yang dapat dihitung sekali dan untuk semua untuk geometri tertentu.
Roman Grigoriev, Sekolah Fisika, Institut Teknologi Georgia, Atlanta, mengatakan, “Selama hampir satu abad, Turbulensi telah digambarkan secara statistik sebagai proses acak. Hasil kami memberikan ilustrasi eksperimental pertama bahwa, pada skala waktu yang sesuai, dinamika Pergolakan adalah deterministik — dan menghubungkannya dengan persamaan pengaturan deterministik yang mendasarinya.”
“Memprediksi secara kuantitatif evolusi aliran turbulen — dan, pada kenyataannya, hampir semua propertinya — agak sulit. Simulasi numerik adalah satu-satunya pendekatan prediksi yang ada dan dapat diandalkan. Tapi itu bisa mahal. Tujuan penelitian kami adalah membuat prediksi lebih murah.”
Dengan mengamati aliran turbulen lemah yang dibatasi antara dua silinder yang berputar secara independen, para ilmuwan menciptakan peta jalan Turbulensi baru. Ini memungkinkan para ilmuwan untuk membandingkan pengamatan eksperimental secara unik dengan aliran yang dihitung secara numerik karena tidak adanya "efek akhir" dalam geometri yang lebih dikenal, seperti aliran ke bawah pipa.
Eksperimen menggunakan dinding transparan untuk memungkinkan akses visual penuh dan visualisasi aliran mutakhir untuk memungkinkan para ilmuwan merekonstruksi aliran dengan melacak pergerakan jutaan partikel fluoresen tersuspensi. Secara bersamaan, mereka menggunakan metode numerik canggih untuk menghitung solusi berulang dari persamaan diferensial parsial (persamaan Navier-Stokes), yang mengatur aliran fluida dalam kondisi yang identik dengan eksperimen.
Seperti disebutkan di atas, aliran fluida turbulen menunjukkan struktur yang koheren. Dengan menganalisis data eksperimental dan numerik mereka, para ilmuwan menemukan bahwa pola aliran ini dan evolusinya mirip dengan yang dijelaskan oleh solusi khusus yang mereka hitung.
Solusi khusus ini berulang dan tidak stabil, menggambarkan pola aliran berulang dalam interval pendek. Turbulensi mengikuti satu demi satu solusi, menjelaskan bagaimana dan kapan pola dapat muncul.
Grigoriev tersebut, “Semua solusi berulang yang kami temukan dalam geometri ini ternyata kuasi-periodik, dicirikan oleh dua frekuensi yang berbeda. Satu frekuensi menggambarkan rotasi keseluruhan pola aliran di sekitar sumbu simetri, sementara yang lain menggambarkan perubahan bentuk pola aliran dalam kerangka referensi yang berputar bersama dengan pola. Aliran yang sesuai berulang secara berkala dalam bingkai yang berputar bersama ini. ”
“Kami kemudian membandingkan aliran turbulen dalam eksperimen dan simulasi numerik langsung dengan solusi berulang ini dan menemukan Turbulensi mengikuti (melacak) solusi berulang satu demi satu, selama aliran turbulen bertahan. Perilaku kualitatif seperti itu diprediksi untuk sistem kacau berdimensi rendah, seperti model Lorenz yang terkenal, yang diturunkan enam dekade lalu sebagai model atmosfer yang sangat disederhanakan.”
“Pekerjaan ini merupakan pengamatan eksperimental pertama dari solusi pelacakan gerakan kacau yang berulang yang diamati dalam aliran turbulen. Dinamika aliran turbulen, tentu saja, jauh lebih rumit karena sifat solusi berulang yang kuasi-periodik.”
“Dengan menggunakan metode ini, kami secara meyakinkan menunjukkan bahwa struktur ini dengan baik menangkap organisasi Turbulensi dalam ruang dan waktu. Hasil ini meletakkan dasar untuk mewakili Turbulensi dalam hal struktur yang koheren dan memanfaatkan kegigihan mereka dalam waktu untuk mengatasi efek kekacauan yang menghancurkan pada kemampuan kita untuk memprediksi, mengontrol, dan merekayasa aliran fluida.”
“Temuan ini paling cepat berdampak pada komunitas fisikawan, matematikawan, dan insinyur yang masih mencoba memahami turbulensi fluida, yang tetap menjadi “masalah terbesar yang belum terpecahkan dalam semua sains.”
“Karya ini membangun dan memperluas karya sebelumnya tentang Turbulensi fluida oleh kelompok yang sama, beberapa di antaranya dilaporkan di Georgia Tech pada 2017. Tidak seperti karya yang dibahas dalam publikasi itu, yang berfokus pada aliran fluida dua dimensi yang diidealkan, penelitian ini membahas aliran tiga dimensi yang praktis penting dan lebih rumit.”
“Pada akhirnya, penelitian ini meletakkan dasar matematis untuk turbulensi fluida yang bersifat dinamis, bukan statistik, dan karenanya memiliki kemampuan untuk membuat prediksi kuantitatif, yang sangat penting untuk berbagai aplikasi.”
Referensi Jurnal:
- Christopher J. Crowley dkk. Turbulensi melacak solusi berulang. Prosiding National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2120665119
