Undersøgelse viser forskellen mellem klassiske strømme og superfluid helium i 3-D modstrøm

Forskere ved Weizmann Institute of Science, universitetet i Rom, CNRS og Helsinki Universitet har for nylig gennemført en undersøgelse, der undersøger forskellen mellem 3-D anisotrop turbulens i klassiske væsker og den i superfluider, såsom helium. Deres fund, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ), understøttes af både teori og eksperimentel evidens.

"Den nuværende forskning blev initieret af vores gruppe på Weizmann Institute, Israel, bestående af Victor L'vov, Itamar Procaccia og Anna Pomyalov, der forsøgte at forstå nye eksperimentelle observationer af grupperne af Prof. Wei Guo fra Florida State University, Tallahassee og prof. Ladislav Skrbek fra Charles University, i Prag, "Itamar Procaccia, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vores hovedmål var at forstå en tilsyneladende overraskende forskel på, hvordan energi fordeler sig mellem turbulente hvirvler af forskellige skalaer i klassiske viskøse væsker som luft og vand og superfluider som helium ved lave temperaturer."

Alle turbulente strømme, både i natur og laboratorieindstillinger, er anisotropiske på energiinjektionsskalaer, hvilket betyder, at energi fordeler sig forskelligt mellem deres turbulente virvler. Tidligere undersøgelser har vist, at modellen for homogen og isotrop turbulens (HIT) er særlig effektiv til at forudsige de statistiske egenskaber ved turbulens på skalaer, der er meget mindre end omrøringskalaer, endnu større end dissipative skalaer.

I klassiske væsker, 3-D anisotrop turbulens tendens til isotropi og homogenitet med faldende skalaer, derfor er det i sidste ende muligt at anvende HIT -modellen på dem. I deres undersøgelse, imidlertid, Procaccia og hans kolleger demonstrerede, at det modsatte er tilfældet for superfluid ⁴ Han turbulens i 3-D modstrømskanalgeometri, som bliver mindre isotrop, når skalaerne falder, til det punkt at blive næsten todimensionel.

Den fremgangsmåde, de anvender, involverer en såkaldt 'to-væskemodel' af superfluid helium. Denne model er baseret på det tidlige arbejde med Laszlo Tisza og Lev Landau tilbage i 1940-1941, som senere blev forbedret af H. Hall, W.F. Vinen, I.M. Khalatnikov, og I.L Bekarevich.

"Modellen beskriver superfluid helium som en gennemtrængende blanding af to væsker:et superfluid, der bevæger sig uden friktion, og en normal tyktflydende væske, der er koblet med en indbyrdes friktion, "Procaccia forklaret.

Tidligere undersøgelser udført af to forskerteam i Tallahasse, Florida og Prag undersøgte superfluid helium under en temperaturgradient, skabe det, der kaldes 'modstrøm'. Som antydet af navnet, i modstrømning forskellige komponenter i en fluidstrøm i modsatte retninger; supervæsken flyder fra den kolde til den varme side og den normale væske fra den varme til den kolde side.

"Vores model rationaliserede nogle af disse eksperimentelle observationer og forudsagde nye funktioner, der senere blev bekræftet eksperimentelt, "Procaccia forklaret." Hovedresultatet af vores undersøgelse er, at i modsætning til klassiske turbulente strømme, der bliver mere og mere isotrope i mindre skalaer, strømmen, vi undersøgte, bliver mindre og mindre isotrop, når skalaerne reducerer. "

Inden de gennemførte deres undersøgelse, Procaccia og hans kolleger havde teoretisk forudsagt, at deres eksperimenter ville føre til de observationer, de efterfølgende indsamlede. Imidlertid, styrken af ​​den effekt, de observerede, blev først tydelig, efter at de havde udført direkte numeriske simuleringer på en EU -supercomputer, i samarbejde med et team af forskere under ledelse af Luca Biferale. Ifølge Procaccia, deres teoretiske og numeriske fund har allerede motiveret andre eksperimentelle grupper til at forfølge yderligere forskning i modstrømsturbulens.

"På Weizmann Institut, vi udvikler nu vores teori yderligere, være opmærksom på de nye eksperimentelle teknikker, der muliggør detaljerede undersøgelser af turbulens i superflydende helium, "Procaccia sagde." Vores gruppe deltager fortsat i analysen af ​​nye eksperimentelle data, håber på at bidrage til en dybere forståelse af superfluidstrømme fra laboratorieforsøg til kosmologisk erkendelse, såsom neutronstjerner. "

© 2019 Science X Network