乱流のボールは渦リングを使用して分離されます – Physics World

乱流のボールは渦リングを使用して分離されます – Physics World

タイムスタンプ：26年2023月9日午前05時XNUMX分

乱流の球
乱流ボール: William Irvine 氏、松沢匠氏らは、この装置を使用してレーザーと高速カメラで乱流を追跡しました。 （提供：松澤匠）

米国の研究者らは、水の入ったタンク内に乱流の球を隔離し、タンクの隅から渦の輪を発射することでそれを維持した。 ウィリアム・アーバイン シカゴ大学の研究者らは、彼らの新しい技術は乱流を実験的に研究する方法の変革につながる可能性があると述べている。

流れの渦から星間空間のガスの渦に至るまで、乱流は自然界のさまざまなシステムの挙動を支えています。 その主な特徴は見つけやすく、速度と圧力の不規則で不規則な変動が含まれます。 しかし、乱流流体が遍在しているにもかかわらず、研究者は乱流流体がどのように動作するかを正確に説明するのに苦労しています。

「乱気流は私たちの周りのあらゆる場所に現れますが、物理学者が満足のいく説明と考えるものを常に回避しています。」 アーヴィンが説明する。 「たとえば、この乱気流の領域を突いたときに次に何が起こるかを予測できますか? 答えはいいえだ。 スーパーコンピューターを使っても無理です。」

制御された外乱

研究室で乱流を生成して研究することはできますが、乱流流体が容器の壁や乱流の生成に使用される撹拌装置と相互作用するのを防ぐことは非常に困難です。 これまでのところ、この後退により、物理学者は乱流流体が乱されないまま放置された場合に時間の経過とともにどのように変化するのか、あるいは制御された外乱に乱流流体がどのように反応するのかを理解することができませんでした。

この課題に対処するために、アーバイン氏のチームは、渦リングを使用して完全に孤立した乱流領域を作成しようとしました。 これらは流体の円形の渦であり、互いに衝突すると乱流が発生します。

最初、アービンと同僚は、渦を生成するリングジェットを水槽の両端に配置することでこれを行いました。 リングの動きを視覚化するために、水に泡を入れました。 当初は乱流が観察されましたが、最終的には流れが再結合して新しいリングのセットが形成され、元の衝突点から逸れていきました。

XNUMXつの渦輪

最新の研究では、アーバイン氏のチームは代わりにタンクの各隅にリング ジェットを配置し、より興味深い結果が得られました。 XNUMX つの渦リングが衝突すると、タンクの中心にほぼ球形の乱流ボールが生成されました。 ボールはタンクの壁から完全に隔離されただけではありません。 定期的にタンク内にさらに多くの渦の輪を発射するだけで維持できます。

「これが可能であるとは誰も知りませんでした」とチームメンバーは言います 松沢拓海。 「タービュランスは物事を混ぜ合わせるのがとても上手です。 コーヒーにミルクを混ぜる場合、完全に混ざるまでに XNUMX ～ XNUMX 回しか渦を巻き込むことができません。 それを適切な場所に封じ込めることができるという事実は、非常に驚​​くべきことです。」

それは、ピクニックをしながら野原に静かに座って、50フィート先で荒れ狂う嵐を眺めているようなものです

ウィリアム・アーバイン

この設定により、チームはレゴブロックのように渦リングを組み合わせることができ、リングのエネルギーやヘリシティなどのパラメータを制御し、後者は渦が時計回りに回転するか反時計回りに回転するかを記述することができる。

次に、ボール内の乱流のパラメーターを微調整し、より多くの渦の輪で乱流を維持するにつれて乱流がどのように進化するか、または新しい輪の追加をやめると乱流がどのように消散するかを観察することができました。 「それは、ピクニックをしながら野原に静かに座って、50フィート離れたところで荒れ狂う嵐を眺めているようなものです」とアーバインは説明します。

研究者らは現在、自分たちの研究が乱流を研究するための新しい技術の開発におけるブレークスルーにつながることを期待している。 彼らは、渦リングを使用して乱流を彫刻することによって、乱流を注意深く制御および操作できる特徴を備えた物質の状態として扱うことができることを示唆しています。

これにより、自然界の乱流のさまざまな例を調査する、さまざまな新しい実験への道が開かれる可能性があります。 「これがフィールドに新しい遊び場を開く一助になれば幸いです」とアーバイン氏は言う。

研究はで説明されています 自然物理学.

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