Кулі турбулентності ізольовані за допомогою вихрових кілець – Physics World

Дослідники зі США виділили кулю турбулентності всередині резервуара з водою та підтримували його, вистрілюючи вихровими кільцями з кутів резервуара. Вільям Ірвайн і колеги з Чиказького університету кажуть, що їхня нова техніка може призвести до трансформації способу експериментального вивчення турбулентності.

Від вихорів у потоці до завихрення газу в міжзоряному просторі, турбулентність лежить в основі поведінки багатьох різних систем у природі. Його основні характеристики легко помітити та включають нерегулярні та непостійні коливання швидкості та тиску. Проте, незважаючи на всюдисущість, дослідникам важко описати, як саме поводяться турбулентні рідини.

«Турбулентність з’являється всюди навколо нас, але вона продовжує вислизати від того, що фізики вважають задовільним описом». Ірвайн пояснює. «Наприклад, якщо ви запитаєте, чи можу я передбачити, що станеться далі, коли я торкнуся цієї області турбулентності? Відповідь - ні. Навіть не з суперкомп’ютером».

Контрольовані порушення

Хоча турбулентність можна створити та вивчити в лабораторії, дуже важко запобігти взаємодії турбулентної рідини зі стінками її контейнера або перемішувальним пристроєм, який використовується для створення турбулентності. Поки що ця невдача завадила фізикам зрозуміти, як з часом розвиваються турбулентні рідини, якщо їх не турбувати, або як вони реагують на контрольовані збурення.

Щоб вирішити цю проблему, команда Ірвайна намагалася створити повністю ізольовану область турбулентності за допомогою вихрових кілець. Це кругові завихрення рідини, які створюють турбулентність, стикаючись один з одним.

Спочатку Ірвайн і його колеги зробили це, розмістивши кільцеві струмені, що створюють вихор, на обох кінцях резервуара для води. Вода була засіяна бульбашками, щоб візуалізувати рухи кілець. Хоча спочатку спостерігалася турбулентність, згодом потоки рекомбінувалися, створюючи нові набори кілець, які відхилялися від початкової точки зіткнення.

Вісім вихрових кілець

У своєму останньому дослідженні команда Ірвайна натомість розмістила кільцевий струмінь у кожному куті резервуара – з набагато цікавішими результатами. Коли вісім вихрових кілець зіткнулися, вони створили приблизно сферичну кулю турбулентності в центрі резервуара. Мало того, що куля була повністю ізольована від стінок бака; його можна було підтримувати, просто періодично запускаючи більше вихрових кілець у танк.

«Ніхто не здогадувався, що таке можливо», — каже член команди Такумі Мацузава. «Турбулентність дуже добре змішує речі; якщо ви змішаєте молоко з кавою, ви зможете зробити лише одну або дві закрутки, перш ніж вона повністю змішається. Той факт, що ми можемо утримувати його на місці, дуже дивний».

Це як спокійно сидіти в полі з пікніком і спостерігати за штормом, що лютує за 50 футів

Вільям Ірвайн

За допомогою цієї установки команда могла об’єднати вихрові кільця, як блоки LEGO, – контролюючи параметри, включаючи енергію та спіральність кілець – остання описує, обертаються вихори за годинниковою стрілкою чи проти неї.

Чи все-таки турбулентна течія є універсальною?

У свою чергу, вони могли точно налаштувати параметри турбулентності всередині кулі, а потім спостерігати, як вона розвивалася, коли вони підтримували її за допомогою нових вихрових кілець, або як вона розсіювалася, коли вони припинили додавати нові кільця. «Це як спокійно сидіти в полі з пікніком і спостерігати за штормом, що лютує на відстані 50 футів», — описує Ірвайн.

Тепер дослідники сподіваються, що їх робота може призвести до прориву в розробці нових методів вивчення турбулентності. Скульптуючи турбулентні потоки за допомогою вихрових кілець, вони припускають, що турбулентність можна розглядати як стан матерії з особливостями, якими можна ретельно керувати та маніпулювати.

У свою чергу, це може прокласти шлях для різноманітних нових експериментів, досліджуючи багато різних прикладів турбулентних потоків у природі. «Я справді сподіваюся, що це може допомогти відкрити новий ігровий майданчик у цій галузі», — каже Ірвайн.

Дослідження описано в Фізика природи.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/balls-of-turbulence-are-isolated-using-vortex-rings/