Nesten alle væskestrømmer er turbulente, og viser forskjellige romlige og tidsmessige strukturer. Turbulens er kaotisk, der små ytre forstyrrelser kan føre til bemerkelsesverdig forskjellig oppførsel ettersom tiden utvikler seg. Til tross for disse egenskapene, kan turbulens vise strømningsmønstre som vedvarer i betydelige varigheter, kjent som koherente strukturer.
Forskere og ingeniører har undret seg over måter å forutsi og endre turbulente væskestrømmer på, og det har lenge vært et av de mest utfordrende problemene innen vitenskap og ingeniørfag.
Fysikere fra Georgia Institute of Technology har utviklet en ny metode for å oppdage når turbulens ligner disse koherente strømningsstrukturene. Ved å bruke denne metoden demonstrerte de – numerisk og eksperimentelt – at turbulens kan forstås og kvantifiseres ved å bruke et relativt lite sett med spesialløsninger til de styrende ligningene til væskedynamikk som kan forhåndsberegnes en gang for alle for en spesifikk geometri.
Roman Grigoriev, School of Physics, Georgia Institute of Technology, Atlanta, sa: "I nesten et århundre har turbulens blitt beskrevet statistisk som en tilfeldig prosess. Resultatene våre gir den første eksperimentelle illustrasjonen som, på passende korte tidsskalaer, dynamikken til Turbulens er deterministisk - og kobler den til de underliggende deterministiske styrende ligningene."
«Å kvantitativt forutsi utviklingen av turbulente strømmer – og faktisk nesten alle egenskapene deres – er ganske vanskelig. Numerisk simulering er den eneste pålitelige eksisterende prediksjonsmetoden. Men det kan bli kostbart. Målet med vår forskning var å gjøre prediksjon mindre kostbar.»
Ved å observere svak turbulent strømning innesperret mellom to uavhengig roterende sylindre, skapte forskere et nytt veikart for turbulens. Dette gjorde det mulig for forskere å sammenligne eksperimentelle observasjoner unikt med numerisk beregnede strømninger på grunn av fraværet av "endeeffekter" i mer kjente geometrier, for eksempel strømning ned i et rør.
Eksperimentet brukte gjennomsiktige vegger for å gi full visuell tilgang og banebrytende strømningsvisualisering for å gjøre det mulig for forskerne å rekonstruere strømmen ved å spore bevegelsen til millioner av suspenderte fluorescerende partikler. Samtidig brukte de avanserte numeriske metoder for å beregne tilbakevendende løsninger av den partielle differensialligningen (Navier-Stokes-ligningen), som styrer væskestrømmer under forhold som er identiske med eksperimentet.
Som nevnt ovenfor viser turbulente fluidstrømmer koherente strukturer. Ved å analysere deres eksperimentelle og numeriske data, oppdaget forskerne at disse strømningsmønstrene og deres utvikling ligner de som er beskrevet av spesialløsningene de beregnet.
Disse spesialløsningene er tilbakevendende og ustabile, og beskriver gjentatte strømningsmønstre over korte intervaller. Turbulens følger den ene løsningen etter den andre, og forklarer hvordan og når mønstre kan vises.
Grigoriev sa, "Alle de tilbakevendende løsningene som vi fant i denne geometrien viste seg å være kvasi-periodiske, preget av to forskjellige frekvenser. Den ene frekvensen beskrev den totale rotasjonen av strømningsmønsteret rundt symmetriaksen, mens den andre beskrev endringene i formen på strømningsmønsteret i en referanseramme som roterer sammen med mønsteret. De tilsvarende strømmene gjentas med jevne mellomrom i disse samroterende rammene."
"Vi sammenlignet deretter turbulente strømmer i eksperiment og direkte numeriske simuleringer med disse tilbakevendende løsningene og fant at turbulens fulgte (spore) tett etter den ene tilbakevendende løsningen etter den andre, så lenge turbulent strømning vedvarte. Slik kvalitativ atferd ble forutsagt for lavdimensjonale kaotiske systemer, som den berømte Lorenz-modellen, avledet for seks tiår siden som en sterkt forenklet modell av atmosfæren."
"Verket representerer den første eksperimentelle observasjonen av kaotiske bevegelsessporing av tilbakevendende løsninger observert i turbulente strømmer. Dynamikken i turbulente strømmer er selvfølgelig langt mer komplisert på grunn av den kvasi-periodiske naturen til tilbakevendende løsninger."
"Ved å bruke denne metoden viste vi definitivt at disse strukturene godt fanger opp organiseringen av turbulens i rom og tid. Disse resultatene legger grunnlaget for å representere turbulens i form av sammenhengende strukturer og utnytte deres utholdenhet i tide for å overvinne de ødeleggende effektene av kaos på vår evne til å forutsi, kontrollere og konstruere væskestrømmer."
"Disse funnene påvirker umiddelbart fellesskapet av fysikere, matematikere og ingeniører som fortsatt prøver å forstå væsketurbulens, som fortsatt er "kanskje det største uløste problemet i all vitenskap."
"Dette arbeidet bygger og utvider på tidligere arbeid med væsketurbulens av samme gruppe, hvorav noen ble rapportert ved Georgia Tech i 2017. I motsetning til arbeidet diskutert i den publikasjonen, som fokuserte på idealiserte todimensjonale væskestrømmer, tar nåværende forskning for seg praktisk talt viktige og mer kompliserte tredimensjonale strømmer."
"Til syvende og sist legger studien et matematisk grunnlag for væsketurbulens som er dynamisk, snarere enn statistisk, i naturen - og har derfor evnen til å gjøre kvantitative spådommer, som er avgjørende for ulike applikasjoner."
Tidsreferanse:
- Christopher J. Crowley et al. Turbulens sporer tilbakevendende løsninger. Proceedings of National Academy of Sciences. GJØR JEG: 10.1073 / pnas.2120665119
