Шары турбулентности изолируют с помощью вихревых колец — Мир Физики

Шары турбулентности изолируют с помощью вихревых колец — Мир Физики

Отметка времени: 26 июля 2023 г., 9:05

Шар турбулентности
Турбулентный шар: Уильям Ирвин, Такуми Мацузава и их коллеги использовали этот аппарат для отслеживания турбулентности с помощью лазеров и высокоскоростных камер. (Предоставлено Такуми Мацудзавой)

Исследователи в США изолировали шар турбулентности внутри резервуара с водой и поддерживали его, запуская вихревые кольца из углов резервуара. Уильям Ирвин и коллеги из Чикагского университета говорят, что их новая методика может привести к изменению способа экспериментального изучения турбулентности.

От водоворотов в потоке до завихрений газа в межзвездном пространстве — турбулентность лежит в основе поведения многих различных систем в природе. Его основные характеристики легко обнаружить и включают в себя нерегулярные и беспорядочные колебания скорости и давления. Тем не менее, несмотря на их повсеместное распространение, исследователи изо всех сил пытаются точно описать, как ведут себя турбулентные жидкости.

«Турбулентность появляется повсюду вокруг нас, но она продолжает ускользать от того, что физики считают удовлетворительным описанием». — объясняет Ирвин. «Например, если вы спросите, могу ли я предсказать, что произойдет дальше, когда я ткну в эту область турбулентности? Ответ - нет. Даже с суперкомпьютером».

Контролируемые возмущения

Хотя турбулентность можно создать и изучить в лаборатории, очень трудно предотвратить взаимодействие турбулентной жидкости со стенками ее контейнера или с перемешивающим устройством, используемым для создания турбулентности. До сих пор эта неудача мешала физикам понять, как турбулентные жидкости эволюционируют со временем, если их не трогать, или как они реагируют на контролируемые возмущения.

Чтобы решить эту проблему, команда Ирвина стремилась создать полностью изолированную область турбулентности с помощью вихревых колец. Это круговые завихрения жидкости, которые создают турбулентность при столкновении друг с другом.

Сначала Ирвин и его коллеги сделали это, поместив кольцевые форсунки, создающие вихри, на обоих концах резервуара для воды. Вода была засеяна пузырьками, чтобы визуализировать движения колец. Хотя первоначально наблюдалась турбулентность, потоки в конечном итоге объединились, чтобы создать новые наборы колец, которые отклонились от исходной точки столкновения.

Восемь вихревых колец

В своем последнем исследовании команда Ирвина вместо этого поместила кольцевую форсунку в каждый угол резервуара, что дало гораздо более интересные результаты. Когда восемь вихревых колец столкнулись, они создали примерно сферический шар турбулентности в центре резервуара. Мало того, что шар был полностью изолирован от стенок резервуара; его можно было поддерживать, просто периодически запуская в бак больше вихревых колец.

«Никто не знал, что это вообще возможно», — говорит член команды. Такуми Мацузава. «Турбулентность очень хорошо смешивает вещи; если вы смешаете молоко с кофе, вы можете сделать только один или два завихрения, прежде чем оно станет полностью смешанным. Тот факт, что мы можем сдержать его на месте, очень удивителен».

Это как спокойно сидеть в поле на пикнике и смотреть, как в 50 метрах бушует буря.

Уильям Ирвин

С помощью этой установки команда могла комбинировать вихревые кольца, подобные блокам LEGO, управляя параметрами, включая энергию и спиральность колец, причем последние описывают, вращаются ли вихри по часовой стрелке или против часовой стрелки.

В свою очередь, они могли точно настроить параметры турбулентности внутри шара, а затем наблюдать, как она развивалась по мере того, как они поддерживали ее с помощью большего количества вихревых колец, или как она рассеивалась, когда они прекращали добавлять новые кольца. «Это все равно, что спокойно сидеть в поле на пикнике и смотреть, как в 50 футах бушует буря, — описывает Ирвин.

Теперь исследователи надеются, что их работа может привести к прорыву в разработке новых методов изучения турбулентности. Создавая турбулентные потоки с помощью вихревых колец, они предполагают, что турбулентность можно рассматривать как состояние материи, характеристики которого можно тщательно контролировать и манипулировать ими.

В свою очередь, это может проложить путь для множества новых экспериментов, исследующих множество различных примеров турбулентных течений в природе. «Я очень надеюсь, что это поможет открыть новую игровую площадку в этой области», — говорит Ирвин.

Исследование описано в Физика природы.

Отметка времени:

Больше от Мир физики