Turbulensbollar isoleras med virvelringar – Physics World

Turbulensbollar isoleras med virvelringar – Physics World

Tidsstämpel: 26 juli 2023 9:05

Turbulensboll
Turbulent boll: William Irvine, Takumi Matsuzawa och kollegor har använt denna apparat för att spåra turbulens med lasrar och höghastighetskameror. (Med tillstånd: Takumi Matsuzawa)

Forskare i USA har isolerat en kula av turbulens inuti en vattentank och upprätthållit den genom att skjuta virvelringar från tankens hörn. William Irvine och kollegor vid University of Chicago säger att deras nya teknik kan leda till en förändring av hur turbulens studeras experimentellt.

Från virvlar i en ström till virvlande av gas i det interstellära rymden, turbulens underbygger beteendet hos många olika system i naturen. Dess huvudsakliga egenskaper är lätta att upptäcka och inkluderar oregelbundna och oregelbundna fluktuationer i hastighet och tryck. Men trots deras allestädes närvarande kämpar forskare med att beskriva exakt hur turbulenta vätskor beter sig.

"Turbulens dyker upp överallt runt omkring oss, men den undviker fortfarande vad fysiker anser vara en tillfredsställande beskrivning." förklarar Irvine. "Om du till exempel frågar, kan jag förutsäga vad som händer härnäst när jag petar i denna turbulensregion? Svaret är nej. Inte ens riktigt med en superdator.”

Kontrollerade störningar

Även om turbulens kan skapas och studeras i labbet, är det mycket svårt att förhindra att en turbulent vätska interagerar med väggarna i dess behållare, eller omrörningsapparaten som används för att generera turbulens. Hittills har detta bakslag hindrat fysiker från att förstå hur turbulenta vätskor utvecklas över tiden om de lämnas ostörda, eller hur de reagerar på kontrollerade störningar.

För att möta denna utmaning försökte Irvines team skapa ett helt isolerat område av turbulens med hjälp av virvelringar. Dessa är cirkulära virvlar av vätska som genererar turbulens när de kolliderar med varandra.

Till en början gjorde Irvine och kollegor detta genom att placera virvelgenererande ringstrålar i vardera änden av en vattentank. Vattnet såddes med bubblor för att visualisera ringarnas rörelser. Även om turbulens observerades initialt, kombinerades flödena så småningom för att skapa nya uppsättningar ringar, som avböjdes bort från den ursprungliga kollisionspunkten.

Åtta virvelringar

I sin senaste studie placerade Irvines team istället en ringjet i varje hörn av tanken – med mycket mer intressanta resultat. När de åtta virvelringarna kolliderade skapade de en ungefär sfärisk kula av turbulens i mitten av tanken. Inte bara var bollen helt isolerad från tankens väggar; det kunde upprätthållas helt enkelt genom att avfyra fler virvelringar i tanken med jämna mellanrum.

"Ingen visste att detta ens var möjligt," säger teammedlem Takumi Matsuzawa. ”Turbulens är väldigt bra på att blanda saker; om du blandar din mjölk i ditt kaffe kan du bara få i en eller två virvlar innan det blir helt blandat. Det faktum att vi kan hålla det på plats är mycket överraskande.”

Det är som att lugnt sitta på en åker med en picknick och se en storm som rasar 50 fot bort

William Irvine

Med den här inställningen kunde teamet kombinera virvelringar som LEGO-block – styrande parametrar inklusive ringarnas energi och helicitet – den senare beskriver om virvlarna roterade medurs eller moturs.

I sin tur kunde de finjustera parametrarna för turbulensen inuti bollen och sedan observera hur den utvecklades när de upprätthöll den med fler virvelringar – eller hur den försvann när de slutade lägga till nya ringar. "Det är som att lugnt sitta på ett fält med en picknick och titta på en storm som rasar 50 fot bort," beskriver Irvine.

Forskarna hoppas nu att deras arbete kan leda till ett genombrott i utvecklingen av nya tekniker för att studera turbulens. Genom att skulptera turbulenta flöden med hjälp av virvelringar föreslår de att turbulens kan behandlas som ett materiatillstånd med egenskaper som kan kontrolleras och manipuleras noggrant.

Detta kan i sin tur bana väg för en mångfald av nya experiment, som utforskar många olika exempel på turbulenta flöden i naturen. "Jag hoppas verkligen att det här kan hjälpa till att öppna upp en ny lekplats på fältet," säger Irvine.

Forskningen beskrivs i Naturfysik.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden