Turbulentieballen worden geïsoleerd met behulp van vortexringen - Physics World

Onderzoekers in de VS hebben een turbulentiebal in een watertank geïsoleerd en deze in stand gehouden door vortexringen vanuit de hoeken van de tank af te vuren. Willem Irvine en collega's van de Universiteit van Chicago zeggen dat hun nieuwe techniek zou kunnen leiden tot een transformatie in de manier waarop turbulentie experimenteel wordt bestudeerd.

Van wervelingen in een stroom tot het wervelen van gas in de interstellaire ruimte: turbulentie ligt ten grondslag aan het gedrag van veel verschillende systemen in de natuur. De belangrijkste kenmerken zijn gemakkelijk te herkennen en omvatten onregelmatige en grillige schommelingen in snelheid en druk. Maar ondanks hun alomtegenwoordigheid hebben onderzoekers moeite om precies te beschrijven hoe turbulente vloeistoffen zich gedragen.

‘Turbulentie verschijnt overal om ons heen, maar blijft ontgaan aan wat natuurkundigen als een bevredigende beschrijving beschouwen.’ legt Irvine uit. “Als je het bijvoorbeeld vraagt: kan ik voorspellen wat er vervolgens gebeurt als ik in dit turbulente gebied prik? Het antwoord is nee. Zelfs niet echt met een supercomputer.”

Gecontroleerde verstoringen

Hoewel turbulentie in het laboratorium kan worden gecreëerd en bestudeerd, is het erg moeilijk om te voorkomen dat een turbulente vloeistof in wisselwerking treedt met de wanden van de container of met het roerapparaat dat wordt gebruikt om turbulentie te genereren. Tot nu toe heeft deze tegenslag natuurkundigen ervan weerhouden te begrijpen hoe turbulente vloeistoffen in de loop van de tijd evolueren als ze niet worden verstoord, of hoe ze reageren op gecontroleerde verstoringen.

Om deze uitdaging aan te pakken, probeerde het team van Irvine een volledig geïsoleerd turbulent gebied te creëren met behulp van vortexringen. Dit zijn cirkelvormige wervelingen van vloeistof die turbulentie veroorzaken als ze met elkaar botsen.

In eerste instantie deden Irvine en collega's dit door vortex-genererende ringjets aan beide uiteinden van een watertank te plaatsen. Het water werd bezaaid met belletjes om de bewegingen van de ringen te visualiseren. Hoewel aanvankelijk turbulentie werd waargenomen, combineerden de stromingen zich uiteindelijk opnieuw om nieuwe sets ringen te creëren, die van het oorspronkelijke botsingspunt afweken.

Acht vortexringen

In hun laatste onderzoek plaatste het team van Irvine in plaats daarvan een ringjet op elke hoek van de tank – met veel interessantere resultaten. Toen de acht vortexringen met elkaar botsten, creëerden ze een ruwweg bolvormige turbulentiebal in het midden van de tank. Niet alleen was de bal volledig geïsoleerd van de wanden van de tank; het zou eenvoudig in stand kunnen worden gehouden door periodiek meer vortexringen in de tank af te vuren.

“Niemand wist dat dit überhaupt mogelijk was”, zegt teamlid Takumi Matsuzawa. “Turbulentie is erg goed in het vermengen van dingen; als je je melk door je koffie mengt, kun je er maar één of twee wervelingen in krijgen voordat het volledig gemengd is. Het feit dat we het op zijn plaats kunnen houden, is zeer verrassend.”

Het is alsof je rustig in een veld zit met een picknick en kijkt naar een storm die 50 meter verderop woedt

Willem Irvine

Met deze opstelling kon het team vortexringen combineren als LEGO-blokken – waarbij parameters werden gecontroleerd, waaronder de energie en heliciteit van de ringen – waarbij de laatste beschrijft of de wervels met de klok mee of tegen de klok in draaiden.

Is turbulente stroming toch universeel?

Op hun beurt konden ze de parameters van de turbulentie in de bal verfijnen en vervolgens observeren hoe deze evolueerde naarmate ze deze in stand hielden met meer vortexringen – of hoe deze verdween toen ze stopten met het toevoegen van nieuwe ringen. “Het is alsof je rustig in een veld zit te picknicken en naar een storm kijkt die vijftien meter verderop woedt”, beschrijft Irvine.

De onderzoekers hopen nu dat hun werk kan leiden tot een doorbraak in de ontwikkeling van nieuwe technieken voor het bestuderen van turbulentie. Door turbulente stromingen vorm te geven met behulp van vortexringen suggereren ze dat turbulentie kan worden behandeld als een toestand van materie met kenmerken die zorgvuldig kunnen worden gecontroleerd en gemanipuleerd.

Dit zou op zijn beurt de weg kunnen vrijmaken voor een breed scala aan nieuwe experimenten, waarbij veel verschillende voorbeelden van turbulente stromingen in de natuur worden onderzocht. "Ik hoop echt dat dit kan helpen een nieuwe speeltuin in het veld te openen", zegt Irvine.

Het onderzoek is beschreven in Natuurfysica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/