Aproape toate fluxurile de fluide sunt turbulente, prezentând diverse structuri spațiale și temporale. Turbulența este haotică, unde micile perturbări externe pot duce la un comportament remarcabil de diferit pe măsură ce timpul evoluează. În ciuda acestor proprietăți, Turbulence poate prezenta modele de curgere care persistă pentru perioade substanțiale de timp, cunoscute sub numele de structuri coerente.
Oamenii de știință și inginerii s-au nedumerit cu privire la modalitățile de a prezice și de a modifica fluxurile de fluide turbulente și a rămas mult timp una dintre cele mai provocatoare probleme din știință și inginerie.
Fizicienii din Institutul de Tehnologie din Georgia au dezvoltat o nouă metodă de a detecta când Turbulența seamănă cu aceste structuri de curgere coerente. Folosind această metodă, ei au demonstrat – numeric și experimental – că Turbulența poate fi înțeleasă și cuantificată folosind un set relativ mic de soluții speciale pentru ecuațiile guvernamentale ale dinamica fluidelor care poate fi precalculat o dată pentru totdeauna pentru o anumită geometrie.
Roman Grigoriev, Școala de Fizică, Georgia Institute of Technology, Atlanta, a spus: „Timp de aproape un secol, Turbulența a fost descrisă statistic ca un proces aleatoriu. Rezultatele noastre oferă prima ilustrare experimentală care, pe o scară de timp suficient de scurtă, este dinamica Turbulență este deterministă - și o conectează la ecuațiile guvernamentale deterministe subiacente.”
„Prevederea cantitativă a evoluției fluxurilor turbulente – și, de fapt, a aproape oricare dintre proprietățile lor – este destul de dificilă. Simularea numerică este singura abordare de predicție fiabilă existentă. Dar poate fi costisitor. Scopul cercetării noastre a fost de a face predicția mai puțin costisitoare.”
Prin observarea unui flux turbulent slab - limitat între doi cilindri care se rotesc independent - oamenii de știință au creat o nouă foaie de parcurs a Turbulenței. Acest lucru a permis oamenilor de știință să compare observațiile experimentale în mod unic cu fluxurile calculate numeric, datorită absenței „efectelor finale” în geometrii mai familiare, cum ar fi curgerea pe o conductă.
Experimentul a folosit pereți transparenți pentru a permite accesul vizual complet și vizualizarea fluxului de ultimă oră, pentru a le permite oamenilor de știință să reconstruiască fluxul prin urmărirea mișcării a milioane de particule fluorescente suspendate. Simultan, au folosit metode numerice avansate pentru a calcula soluții recurente ale ecuației diferențiale parțiale (ecuația Navier-Stokes), care guvernează fluxurile de fluid în condiții identice cu cele ale experimentului.
După cum sa menționat mai sus, fluxurile de fluide turbulente prezintă structuri coerente. Analizând datele lor experimentale și numerice, oamenii de știință au descoperit că aceste modele de flux și evoluția lor seamănă cu cele descrise de soluțiile speciale pe care le-au calculat.
Aceste soluții speciale sunt recurente și instabile, descriind tipare de curgere repetate pe intervale scurte. Turbulența urmează o soluție după alta, explicând cum și când pot apărea modelele.
Grigoriev a spus, „Toate soluțiile recurente pe care le-am găsit în această geometrie s-au dovedit a fi cvasi-periodice, caracterizate prin două frecvențe diferite. O frecvență a descris rotația generală a modelului de curgere în jurul axei de simetrie, în timp ce cealaltă a descris modificările formei modelului de curgere într-un cadru de referință care co-rota cu modelul. Fluxurile corespunzătoare se repetă periodic în aceste cadre co-rotative.”
„Apoi am comparat fluxurile turbulente în experiment și simulări numerice directe cu aceste soluții recurente și am constatat că Turbulence urmărește îndeaproape (urmărește) o soluție recurentă după alta, atâta timp cât fluxul turbulent a persistat. Astfel de comportamente calitative au fost prezise pentru sistemele haotice de dimensiuni joase, cum ar fi celebrul model Lorenz, derivat cu șase decenii în urmă ca un model foarte simplificat al atmosferei.”
„Lucrarea reprezintă prima observație experimentală a soluțiilor recurente de urmărire a mișcării haotice observate în fluxuri turbulente. Dinamica fluxurilor turbulente este, desigur, mult mai complicată din cauza naturii cvasi-periodice a soluțiilor recurente.”
„Folosind această metodă, am arătat în mod concludent că aceste structuri surprind bine organizarea Turbulenței în spațiu și timp. Aceste rezultate pun bazele pentru reprezentarea Turbulenței în termeni de structuri coerente și valorificarea persistenței lor în timp pentru a depăși efectele devastatoare ale haosului asupra capacității noastre de a prezice, controla și proiecta fluxurile de fluide.”
„Aceste descoperiri afectează cel mai imediat comunitatea de fizicieni, matematicieni și ingineri care încă încearcă să înțeleagă turbulența fluidelor, care rămâne „poate cea mai mare problemă nerezolvată din toată știința”.
„Această lucrare se bazează și se extinde pe lucrările anterioare privind turbulența fluidelor efectuate de același grup, dintre care unele au fost raportate la Georgia Tech în 2017. Spre deosebire de munca discutată în acea publicație, care s-a concentrat pe fluxurile de fluide bidimensionale idealizate, cercetarea prezentă abordează fluxuri tridimensionale practic importante și mai complicate.”
„În cele din urmă, studiul pune o bază matematică pentru turbulența fluidelor, care este de natură dinamică, mai degrabă decât statistică – și, prin urmare, are capacitatea de a face predicții cantitative, care sunt cruciale pentru diverse aplicații.”
Referința jurnalului:
- Christopher J. Crowley și colab. Turbulența urmărește soluțiile recurente. Proceedings al Academiei Nationale de Stiinte. DOI: 10.1073 / pnas.2120665119
