Neredeyse tüm sıvı akışları türbülanslıdır ve farklı mekansal ve zamansal yapılar sergiler. Türbülans kaotiktir; küçük dış etkenler zaman geçtikçe oldukça farklı davranışlara yol açabilir. Bu özelliklere rağmen Türbülans, tutarlı yapılar olarak bilinen, önemli süreler boyunca devam eden akış modelleri sergileyebilir.
Bilim adamları ve mühendisler, türbülanslı sıvı akışlarını tahmin etme ve değiştirme yolları üzerinde kafa yoruyorlar ve bu durum, uzun süredir bilim ve mühendislikteki en zorlu problemlerden biri olmayı sürdürüyor.
Fizikçiler Georgia Institute of Technology Türbülansın bu tutarlı akış yapılarına benzediğini tespit etmek için yeni bir yöntem geliştirdiler. Bu yöntemi kullanarak, sayısal ve deneysel olarak Türbülansın, yönetim denklemlerine yönelik nispeten küçük bir dizi özel çözüm kullanılarak anlaşılabileceğini ve ölçülebileceğini gösterdiler. akışkan dinamiği belirli bir geometri için bir kez ve tamamıyla önceden hesaplanabilir.
Atlanta Georgia Teknoloji Enstitüsü Fizik Okulu'ndan Roman Grigoriev şunları söyledi: "Yaklaşık bir yüzyıl boyunca Türbülans istatistiksel olarak rastgele bir süreç olarak tanımlandı. Sonuçlarımız, uygun kısa zaman ölçeklerinde dinamiklerin ilk deneysel gösterimini sağlar. Türbülans deterministtir ve onu altta yatan deterministik yönetim denklemlerine bağlar.”
“Türbülanslı akışların ve aslında hemen hemen tüm özelliklerinin evrimini niceliksel olarak tahmin etmek oldukça zordur. Sayısal simülasyon mevcut tek güvenilir tahmin yaklaşımıdır. Ancak maliyetli olabilir. Araştırmamızın amacı tahminleri daha az maliyetli hale getirmekti."
Bağımsız olarak dönen iki silindir arasında sınırlı olan zayıf türbülanslı akışı gözlemleyen bilim insanları, Türbülansın yeni bir yol haritasını oluşturdular. Bu, bilim adamlarının, bir borudan aşağı akış gibi daha tanıdık geometrilerde "son etkilerin" bulunmaması nedeniyle deneysel gözlemleri sayısal olarak hesaplanan akışlarla benzersiz bir şekilde karşılaştırmasına olanak tanıdı.
Deneyde, bilim adamlarının milyonlarca asılı floresan parçacığının hareketini izleyerek akışı yeniden yapılandırmasını sağlamak için tam görsel erişime ve son teknoloji akış görselleştirmesine izin vermek için şeffaf duvarlar kullanıldı. Eş zamanlı olarak, deneyle aynı koşullar altında akışkan akışlarını yöneten kısmi diferansiyel denklemin (Navier-Stokes denklemi) tekrarlayan çözümlerini hesaplamak için ileri sayısal yöntemler kullandılar.
Yukarıda bahsedildiği gibi türbülanslı akışkan akışları tutarlı yapılar gösterir. Deneysel ve sayısal verilerini analiz eden bilim insanları, bu akış düzenlerinin ve bunların evriminin, hesapladıkları özel çözümlerle tanımlananlara benzediğini keşfettiler.
Bu özel çözümler tekrarlayan ve kararsız olup, kısa aralıklarla tekrarlanan akış modellerini tanımlar. Türbülans bir çözümü birbiri ardına takip ederek modellerin nasıl ve ne zaman ortaya çıkabileceğini açıklar.
Grigoriev şuraya, "Bu geometride bulduğumuz tüm tekrarlayan çözümlerin, iki farklı frekansla karakterize edilen yarı periyodik olduğu ortaya çıktı. Bir frekans, akış modelinin simetri ekseni etrafındaki genel dönüşünü tanımlarken, diğeri, modelle birlikte dönen bir referans çerçevesindeki akış modelinin şeklindeki değişiklikleri tanımladı. İlgili akışlar bu birlikte dönen çerçevelerde periyodik olarak tekrarlanır.
"Daha sonra deneydeki türbülanslı akışları ve doğrudan sayısal simülasyonları bu yinelenen çözümlerle karşılaştırdık ve Türbülansın, türbülanslı akış devam ettiği sürece tekrarlayan çözümleri birbiri ardına yakından takip ettiğini (izlediğini) bulduk. Bu tür niteliksel davranışlar, altmış yıl önce atmosferin büyük ölçüde basitleştirilmiş bir modeli olarak türetilen ünlü Lorenz modeli gibi düşük boyutlu kaotik sistemler için tahmin ediliyordu.
"Çalışma, türbülanslı akışlarda gözlemlenen kaotik hareket izleme tekrarlayan çözümlerinin ilk deneysel gözlemini temsil ediyor. Türbülanslı akışların dinamikleri elbette ki tekrarlanan çözümlerin yarı periyodik doğasından dolayı çok daha karmaşıktır.”
"Bu yöntemi kullanarak, bu yapıların uzay ve zamandaki Türbülans organizasyonunu iyi bir şekilde yakaladığını kesin olarak gösterdik. Bu sonuçlar, Türbülansı tutarlı yapılar açısından temsil etmenin ve kaosun akışkan akışlarını tahmin etme, kontrol etme ve tasarlama yeteneğimiz üzerindeki yıkıcı etkilerinin üstesinden gelmek için bunların zaman içindeki kalıcılığından yararlanmanın temelini oluşturuyor."
"Bu bulgular, hâlâ "bilimde belki de en büyük çözülmemiş sorun" olarak kalan akışkan türbülansını anlamaya çalışan fizikçiler, matematikçiler ve mühendislerden oluşan topluluğu anında etkiliyor.
"Bu çalışma, aynı grubun akışkan türbülansı üzerine yaptığı ve bir kısmı 2017'de Georgia Tech'te rapor edilen önceki çalışmayı geliştiriyor ve genişletiyor. İdealleştirilmiş iki boyutlu akışkan akışlarına odaklanan bu yayında tartışılan çalışmanın aksine, mevcut araştırma, pratik olarak önemli ve daha karmaşık üç boyutlu akışlar.
"Sonuçta, çalışma doğası gereği istatistiksel olmaktan ziyade dinamik olan akışkan türbülansı için matematiksel bir temel oluşturuyor ve dolayısıyla çeşitli uygulamalar için hayati önem taşıyan niceliksel tahminler yapma yeteneğine sahip."
Dergi Referans:
- Christopher J. Crowley ve diğerleri. Türbülans tekrarlanan çözümleri takip eder. Ulusal Bilimler Akademisi Tutanakları. DOI: 10.1073 / pnas.2120665119
