В спине: Изучение турбулентного потока при вращении

Что можно найти в воздухе, в самолете или даже в глубине души?
Нет, ответ не любовь. Это, конечно, турбулентный поток — хаотичное и непредсказуемое движение жидкости в пространстве и времени. Она веками доставляла физикам и математикам головную боль и остается одной из самых важных нерешенных проблем классической физики.

«Турбулентный поток присутствует повсюду — внутри кровеносных сосудов, в атмосферных погодных системах, в воздухе, движущемся через двигатели самолетов — поэтому, естественно, физики очарованы им», — говорит профессор Лука Биферале из Римского университета. Правила, описывающие движение жидкостей, — уравнения Навье-Стокса — известны уже более 200 лет, но, что удивительно, до сих пор до конца не изучены.

Это оставляет физиков-теоретиков в любопытном положении: они могут моделировать системы турбулентных потоков на компьютерах, не зная по-настоящему, как они работают.
"У нас есть эти фантастические уравнения, которые описывают движение жидкостей, но мы не можем использовать их для предсказания точной природы турбулентного потока.

Поэтому вместо этого мы вводим эти уравнения в суперкомпьютеры и проводим виртуальные эксперименты, чтобы мы могли эмпирически наблюдать за потоком. Это, в свою очередь, позволяет нам исследовать наши теоретические инструменты так, как мы не можем сделать с реальными экспериментами в лаборатории."
Группа под руководством Biferale координирует проект NewTURB, который использует моделирование для исследования турбулентного потока при вращении.

Понимание динамики жидкостей в этом состоянии имеет множество приложений из-за того, что Земля вращается вокруг своей оси, когда она вращается вокруг Солнца. Это означает, что океаны, атмосфера и внутренняя мантия нашей планеты подвержены действию силы вращения.

Однако проблема с изучением чего-то столь громоздкого, как движение воздуха, заключается в том, что в лаборатории довольно сложно измерить мельчайшие детали. На самом деле это практически невозможно. «Вот где симуляция проявляется в полной мере», — говорит Биферале. "На компьютере у вас больше свободы, чем в лаборатории.

Например, мы можем смотреть на поток без границ, i.е. в гипотетическом бесконечном пространстве, что в лаборатории, конечно, невозможно. Это помогает избавиться от проблем, связанных с движением жидкости, на которую влияет нахождение в контейнере.
«По сути, мы можем упростить задачу, сохранив при этом основные физические составляющие, а затем провести численные эксперименты в этой идеализированной установке."

При моделировании исследователи увеличивали и увеличивали скорость вращения в турбулентном потоке, чтобы увидеть, что происходит, когда законы, управляющие движением жидкостей, помещаются в экстремальные условия. Они увидели, что в какой-то момент в потоке произошел переход, который привел к образованию больших торнадоподобных структур, ориентированных в направлении вращения. «Что было интересно, так это то, что эти структуры появились только после того, как был достигнут очень определенный уровень вращения», — говорит Биферале. "Если вращение было недостаточно сильным, их не было видно."
Изучив, как поток изменялся во время образования этих структур, подобных торнадо, Бифераль и его коллеги рассмотрели еще одну связанную проблему.

Турбулентность можно изучать двумя способами. Эйлеров подход рассматривает фиксированное пространство и наблюдает, как жидкость течет через него — это очень похоже на сидение на берегу реки и наблюдение за потоком воды мимо фиксированной точки. Подход Лагранжа рассматривает отдельный объект, перемещаемый потоком в пространстве и времени — как наблюдение за листом, уносимым потоком вниз по потоку.
Итак, после изучения формирования структур, подобных торнадо, в их первоначальных симуляциях потока — эйлеровом подходе — исследователи попытались понять, как что-то может переноситься ими — лагранжев подход. «На самом деле это просто еще один взгляд на ту же проблему, который говорит нам еще больше об этом типе потока», — говорит Биферале. "Одно из применений этого лагранжевого моделирования состоит в том, что оно может сказать нам, что происходит с загрязнителями, если они попадают в атмосферу и переносятся такими структурами потока."Группа Biferale является мировым лидером в численном моделировании лагранжевой турбулентности, а суперкомпьютерная мощность, предоставляемая PRACE, позволила им наблюдать за потоками миллиардов частиц в пространстве и времени, предоставляя количественную информацию о турбулентных процессах на беспрецедентных уровнях.

Проект NewTURB является первым, кто когда-либо исследовал лагранжевую турбулентность во вращающемся потоке, и его результаты были недавно опубликованы в Physical Review X.
Один вопрос, который вы можете задать об этом типе исследования: если моделирование проводится в таких идеализированных условиях, действительно ли они полезны в применении к реальным приложениям?? «Я всегда отвечаю на этот вопрос двояко», — говорит Биферале. "Во-первых, я говорю людям — это исследование совершенно бесполезно! Мы стремимся проводить фундаментальные исследования, и если бы они сразу принесли пользу, то это уже не было бы фундаментальным исследованием.

"Конечно, я полушутя, когда говорю это, потому что наше исследование действительно в некотором роде очень полезно. Во всех прикладных ситуациях турбулентности у вас всегда будут границы, в отличие от нашего исследования. Но, хотя это действительно влияет на поток, как только вы немного отодвинетесь от границы, вы начнете видеть те же структуры, что и в наших идеализированных условиях.

Это известно как универсальность турбулентности — тот факт, что мы видим одни и те же структуры, возникающие во всех турбулентных потоках. Если бы небольшие изменения граничных условий или инжекция энергии вызывали совершенно разные потоки, только инженеры были бы заинтересованы. Но поскольку мы видим эти устойчивые сходства, мы, физики-теоретики, можем говорить о потоках в любой ситуации с определенной степенью точности.

"Что мне действительно интересно, так это то, что, хотя мы знаем, что эта универсальность существует, мы не можем доказать ее с помощью уравнений движения. Мы можем эмпирически наблюдать эту универсальность в наших симуляциях и даже наложить ее на данные, взятые из вращающихся потоков, наблюдаемых в лабораториях, но мы не можем доказать с помощью уравнений движения, что все турбулентные потоки в некоторой степени ведут себя одинаково. И именно это мы, как физики-теоретики, медленно, но верно пытаемся сделать."

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *