Kule turbulencji są izolowane za pomocą pierścieni wirowych – Physics World

Naukowcy z USA wyizolowali kulę turbulencji w zbiorniku z wodą i podtrzymywali ją, wystrzeliwując pierścienie wirowe z rogów zbiornika. Williama Irvine'a i koledzy z University of Chicago twierdzą, że ich nowa technika może doprowadzić do transformacji sposobu, w jaki turbulencje są badane eksperymentalnie.

Od wirów w strumieniu po wirowanie gazu w przestrzeni międzygwiezdnej, turbulencje leżą u podstaw zachowania wielu różnych układów w przyrodzie. Jego główne cechy są łatwe do wykrycia i obejmują nieregularne i chaotyczne wahania prędkości i ciśnienia. Jednak pomimo ich wszechobecności, badacze mają trudności z dokładnym opisaniem, jak zachowują się turbulentne płyny.

„Turbulencje pojawiają się wszędzie wokół nas, ale wciąż wymykają się temu, co fizycy uważają za satysfakcjonujący opis”. Irvine wyjaśnia. „Na przykład, jeśli zapytasz, czy mogę przewidzieć, co stanie się dalej, kiedy uderzę w ten obszar turbulencji? Odpowiedź brzmi nie. Nawet tak naprawdę z superkomputerem.

Kontrolowane zakłócenia

Podczas gdy turbulencje można tworzyć i badać w laboratorium, bardzo trudno jest zapobiec interakcji turbulentnego płynu ze ściankami jego pojemnika lub urządzeniem mieszającym używanym do generowania turbulencji. Jak dotąd niepowodzenie to uniemożliwiło fizykom zrozumienie, w jaki sposób turbulentne płyny ewoluują w czasie, jeśli pozostają niezakłócone, lub jak reagują na kontrolowane zakłócenia.

Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół Irvine'a starał się stworzyć całkowicie odizolowany obszar turbulencji za pomocą pierścieni wirowych. Są to okrągłe wiry płynu, które generują turbulencje, gdy zderzają się ze sobą.

Początkowo Irvine i współpracownicy zrobili to, umieszczając generujące wiry strumienie pierścieniowe na obu końcach zbiornika wody. Woda została zaszczepiona bąbelkami, aby zwizualizować ruchy pierścieni. Chociaż początkowo zaobserwowano turbulencje, przepływy ostatecznie ponownie połączyły się, tworząc nowe zestawy pierścieni, które odchylały się od pierwotnego punktu zderzenia.

Osiem pierścieni wirowych

W swoim najnowszym badaniu zespół Irvine'a zamiast tego umieścił strumień pierścieniowy w każdym rogu zbiornika - z dużo bardziej interesującymi wynikami. Gdy osiem pierścieni wirowych zderzyło się, utworzyły mniej więcej kulę turbulencji w środku zbiornika. Piłka była nie tylko całkowicie odizolowana od ścian zbiornika; można go było utrzymać po prostu przez okresowe wystrzeliwanie większej liczby pierścieni wirowych do zbiornika.

„Nikt nie wiedział, że to w ogóle możliwe” — mówi członek zespołu Takumi Matsuzawę. „Turbulencje bardzo dobrze mieszają różne rzeczy; jeśli zmieszasz mleko z kawą, możesz zrobić tylko jedno lub dwa zawirowania, zanim zostanie całkowicie wymieszana. Fakt, że możemy go powstrzymać, jest bardzo zaskakujący”.

To jak spokojne siedzenie na polu z piknikiem i obserwowanie burzy szalejącej 50 stóp dalej

Williama Irvine'a

Dzięki tej konfiguracji zespół mógł łączyć pierścienie wirowe jak klocki LEGO – kontrolując parametry, w tym energię i helikalność pierścieni – te ostatnie opisują, czy wiry obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, czy przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Czy przepływ turbulentny jest jednak uniwersalny?

Z kolei mogli precyzyjnie dostroić parametry turbulencji wewnątrz kuli, a następnie obserwować, jak ewoluowała, gdy podtrzymywali ją większą liczbą pierścieni wirowych – lub jak się rozpraszała, gdy przestali dodawać nowe pierścienie. „To jak spokojne siedzenie na polu podczas pikniku i obserwowanie burzy szalejącej w odległości 50 metrów” — opisuje Irvine.

Naukowcy mają teraz nadzieję, że ich praca może doprowadzić do przełomu w rozwoju nowych technik badania turbulencji. Rzeźbiąc przepływy turbulentne za pomocą pierścieni wirowych, sugerują, że turbulencje można traktować jako stan materii o cechach, które można dokładnie kontrolować i którymi można manipulować.

To z kolei może utorować drogę do różnorodnych nowych eksperymentów, badających wiele różnych przykładów turbulentnych przepływów w przyrodzie. „Naprawdę mam nadzieję, że pomoże to w otwarciu nowego placu zabaw w terenie” — mówi Irvine.

Badania opisano w Fizyka przyrody.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/