Skoraj vsi tokovi tekočin so turbulentni in kažejo različne prostorske in časovne strukture. Turbulenca je kaotična, kjer lahko majhne zunanje motnje povzročijo izjemno drugačno vedenje, ko se čas razvija. Kljub tem lastnostim lahko turbulenca kaže vzorce toka, ki trajajo precej časa, znani kot koherentne strukture.
Znanstveniki in inženirji so se spraševali o načinih, kako predvideti in spremeniti turbulentne tokove tekočine, in to je dolgo ostal eden najzahtevnejših problemov v znanosti in tehniki.
Fiziki iz Tehnološki institut Georgia so razvili novo metodo zaznavanja, kdaj je turbulenca podobna tem koherentnim strukturam toka. S to metodo so dokazali – numerično in eksperimentalno – da je turbulenco mogoče razumeti in kvantificirati z uporabo relativno majhnega nabora posebnih rešitev vodilnih enačb dinamika tekočin ki se lahko vnaprej izračuna enkrat za vselej za določeno geometrijo.
Roman Grigoriev, šola za fiziko, Georgia Institute of Technology, Atlanta, je dejal, »Skoraj stoletje je bila turbulenca statistično opisana kot naključen proces. Naši rezultati zagotavljajo prvo eksperimentalno ilustracijo, ki na primerno kratkih časovnih lestvicah prikazuje dinamiko Pretresi je determinističen – in ga povezuje z osnovnimi determinističnimi vodilnimi enačbami.«
"Kvantitativno napovedovanje razvoja turbulentnih tokov - in pravzaprav skoraj vseh njihovih lastnosti - je precej težko. Numerična simulacija je edini zanesljiv pristop k napovedovanju. Vendar je lahko drago. Cilj naše raziskave je bil narediti napoved cenejše.«
Z opazovanjem šibkega turbulentnega toka - omejenega med dvema neodvisno vrtečima se valjema - so znanstveniki ustvarili nov načrt Turbulence. To je znanstvenikom omogočilo edinstveno primerjavo eksperimentalnih opazovanj z numerično izračunanimi tokovi zaradi odsotnosti "končnih učinkov" v bolj znanih geometrijah, kot je tok po cevi.
Eksperiment je uporabil prozorne stene za popoln vizualni dostop in vrhunsko vizualizacijo toka, ki je znanstvenikom omogočila rekonstrukcijo toka s sledenjem gibanja milijonov suspendiranih fluorescenčnih delcev. Hkrati so uporabili napredne numerične metode za izračun ponavljajočih se rešitev parcialne diferencialne enačbe (Navier-Stokesove enačbe), ki ureja tokove tekočin v pogojih, enakih eksperimentu.
Kot je navedeno zgoraj, turbulentni tokovi tekočine kažejo koherentne strukture. Z analizo svojih eksperimentalnih in numeričnih podatkov so znanstveniki odkrili, da so ti vzorci toka in njihov razvoj podobni tistim, ki so jih opisale posebne rešitve, ki so jih izračunali.
Te posebne rešitve so ponavljajoče se in nestabilne ter opisujejo ponavljajoče se vzorce toka v kratkih intervalih. Turbulenca sledi eni rešitvi za drugo in pojasnjuje, kako in kdaj se lahko pojavijo vzorci.
Grigoriev je dejal, »Vse ponavljajoče se rešitve, ki smo jih našli v tej geometriji, so se izkazale za kvaziperiodične, za katere sta značilni dve različni frekvenci. Ena frekvenca je opisovala celotno rotacijo vzorca toka okoli osi simetrije, medtem ko je druga opisovala spremembe v obliki vzorca toka v referenčnem okviru, ki se vrti skupaj z vzorcem. Ustrezni tokovi se periodično ponavljajo v teh sorotirajućih okvirjih.«
»Nato smo primerjali turbulentne tokove v eksperimentu in neposrednih numeričnih simulacijah s temi ponavljajočimi se rešitvami in ugotovili, da Turbulenca natančno sledi (sledi) eni ponavljajoči se rešitvi za drugo, dokler je turbulentni tok obstajal. Takšna kvalitativna vedenja so bila predvidena za nizkodimenzionalne kaotične sisteme, kot je slavni Lorenzov model, izpeljan pred šestimi desetletji kot zelo poenostavljen model atmosfere.
»Delo predstavlja prvo eksperimentalno opazovanje kaotičnega gibanja, ki sledi ponavljajočim se rešitvam, opaženim v turbulentnih tokovih. Dinamika turbulentnih tokov je seveda veliko bolj zapletena zaradi kvaziperiodične narave ponavljajočih se rešitev.«
»S to metodo smo dokončno pokazali, da te strukture dobro zajemajo organizacijo turbulence v prostoru in času. Ti rezultati postavljajo temelje za predstavitev turbulence v smislu koherentnih struktur in izkoriščanje njihove obstojnosti v času za premagovanje uničujočih učinkov kaosa na našo sposobnost predvidevanja, nadzora in načrtovanja tokov tekočin.«
"Te ugotovitve takoj vplivajo na skupnost fizikov, matematikov in inženirjev, ki še vedno poskušajo razumeti turbulenco tekočine, ki ostaja "morda največji nerešen problem v vsej znanosti."
»To delo nadgrajuje in razširja prejšnje delo iste skupine o turbulenci tekočin, o nekaterih od njih so poročali na Georgia Tech leta 2017. Za razliko od dela, obravnavanega v tej publikaciji, ki se je osredotočalo na idealizirane dvodimenzionalne tokove tekočin, sedanja raziskava obravnava praktično pomembne in bolj zapletene tridimenzionalne tokove."
"Navsezadnje študija postavlja matematično osnovo za turbulenco tekočine, ki je po naravi dinamična in ne statistična - in ima zato zmožnost kvantitativnih napovedi, ki so ključne za različne aplikacije."
Referenca dnevnika:
- Christopher J. Crowley et al. Turbulenca sledi ponavljajočim se rešitvam. Zbornik National Academy of Sciences. DOI: 10.1073 / pnas.2120665119
