På vej:En løsning på et 130-årigt problem

Uanset om en væske strømmer gennem husholdningsvvs eller industrielle olie- og gasledninger, når den kører langsomt, er dens strømning jævn, men når den kører hurtigt, er dens strøm mere kaotisk.

For mere end 130 år siden, Den britiske fysiker og ingeniør Osborne Reynolds beskrev væske, der flyder ved lave hastigheder som 'laminar, 'betyder, at det flyder jævnt i en enkelt retning, og væske, der strømmer ved høje hastigheder som 'turbulent, 'betyder, at den oplever kaotiske ændringer i tryk og energi. Reynolds udviklede et sæt ligninger til at beskrive forholdet mellem den hastighed, hvormed en væske strømmer, og friktionen, der skabes mellem den og røret.

Ingeniører bruger stadig Reynolds "modstandslove" i dag til at beregne, hvor meget energi der går tabt til friktion, da væsker og gasser strømmer gennem et rør. Imidlertid, et mysterium er forblevet uløst:hvad sker der, når et flow overgår fra laminært til turbulent?

"I overgangsforløb, friktion varierer uden synlige mønstre, "siger Dr. Rory Cerbus, en postdoktor ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Indtil nu, modstandslovene for overgangsstrøm var ukendte, gør det svært at beregne friktion og energitab under denne type flow.

Cerbus og andre forskere i Fluid Mechanics Unit og Continuum Physics Unit på OIST har fundet en overraskende enkel løsning på denne 130-årige gåde. "Vi har vist, at selvom overgangstilstanden ser ud til at være en menageri af flowtilstande, disse kan alle kendetegnes ved love, vi allerede kender, "siger professor Pinaki Chakraborty, leder af Fluid Mechanics Unit. "Dette forenkler et grundlæggende problem."

Overgangsstrømmen vides at bestå af intermitterende patches af forskellige typer flow, som veksler langs rørledningen. I standardmetoden til måling af friktion i overgangsflow, de er simpelthen klumpet sammen.

OIST -forskerne analyserede i stedet patches af glat og kaotisk flow separat. De løb vand gennem et 20 meter langt glasrør. Ved at tilføre små partikler til vandet og belyse det med en laser, de kunne måle strømningshastigheden. Dette tillod dem rent at identificere de vekslende pletter af glat og kaotisk flow i overgangsstrømmen. De målte derefter friktionen inde i de enkelte patches ved hjælp af trykfølere.

"Vi gentog et lærebogseksperiment, der rutinemæssigt udføres af tusindvis af ingeniørstudenter hvert år over hele verden, "siger Cerbus, hovedforfatter til papiret, som for nylig blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve . "Vi brugte stort set de samme værktøjer, men med den afgørende sondring at analysere plastrene separat, " han siger.

Forskerne viste, at på trods af de ydre kompleksiteter, modstandsloven for de glatte pletter er i overensstemmelse med laminær strømning, mens modstandsloven for de kaotiske pletter er i overensstemmelse med turbulent flow. Derfor, overgangsstrøm kan studeres ved hjælp af Reynolds originale modstandslove.

At forstå, hvor meget energi der kræves for at pumpe væske gennem en rørledning, når den flyder i overgangstilstanden, kan hjælpe industrier, såsom olieraffinaderier, minimere energispild og forbedre effektiviteten.

"Hvis du ser godt efter, du oplever, at der ofte er enkelhed under kompleksitet, "siger Chakraborty.