Går med strømmen:Ny indsigt i mystiske flydende bevægelser

Vand, der kommer fra en almindelig vandhane, fortæller en kompleks historie om sin rejse gennem et rør. Ved høje hastigheder, armaturets brusende strøm er turbulent:kaotisk, uordentligt - som nedbrud af havbølger.

Sammenlignet med ordnede laminarstrømme, ligesom armaturets faste strøm ved lave hastigheder, forskere ved lidt om turbulens. Endnu mindre er kendt om, hvordan laminære strømme bliver turbulente. En blanding af ordnede og uordnede strømme, overgangsstrømme opstår, når væsker bevæger sig med mellemhastigheder.

Nu, Dr. Rory Cerbus, Dr. Chien-chia Liu, Dr. Gustavo Gioia, og Dr. Pinaki Chakraborty, forskere i Fluid Mechanics Unit og Continuum Physics Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), har hentet fra en årtier gammel konceptuel teori om turbulens for at udvikle en ny tilgang til at studere overgangsstrømme. Forskernes fund, udgivet i Videnskab fremskridt , kan være med til at skabe en mere omfattende, konceptuel forståelse af overgangs- og turbulente strømme, med praktiske applikationer inden for teknik.

"Turbulens fremstilles ofte som det sidste uløste problem i klassisk fysik - det har en vis mystik over det, "sagde Cerbus." Og alligevel, under idealiserede forhold, vi har en konceptuel teori, der hjælper med at forklare turbulente strømme. I vores forskning, vi stræber efter at forstå, om denne konceptuelle teori også kan kaste lys over overgangsstrømme. "

At finde orden i uorden

Forskere har længe været betaget af turbulente strømme. I det femtende århundrede, Leonardo da Vinci illustrerede turbulente strømme som samlinger af hvirvlende hvirvler, eller cirkulære strømme, af varierende størrelser.

Århundreder senere i 1941, matematiker Andrey Kolmogorov udviklede en konceptuel teori, der afslørede orden, der ligger til grund for energien i tilsyneladende uordnede hvirvler.

Som afbildet i DaVincis skitse, en å, der stuper ned i en vandpølle, danner i første omgang en stor, hvirvlende virvel, som hurtigt bliver ustabil og går i stykker i gradvist mindre hvirvler. Energi overføres fra de store til stadig mindre hvirvler, indtil de mindste hvirvler spreder energien via vandets viskositet.

At fange dette billede i matematiksproget, Kolmogorovs teori forudsiger energispektret, en funktion, der beskriver, hvordan den kinetiske energi - energien fra bevægelse - fordeles på hvirvler af forskellige størrelser.

Vigtigere, teorien siger, at energien i de små hvirvler er universel, hvilket betyder, at selvom turbulente strømninger kan se anderledes ud, de mindste hvirvler i alle turbulente strømme har det samme energispektrum.

"At sådanne enkle begreber elegant kan belyse et tilsyneladende uoverskueligt problem, Jeg finder det virkelig ekstraordinært, "sagde Chakraborty.

Men der er en fangst. Kolmogorovs teori menes bredt kun at gælde for et lille sæt idealiserede strømme, og ikke hverdagens strømme, herunder overgangsstrømmene.

For at studere disse overgangsstrømme, Cerbus og hans samarbejdspartnere gennemførte forsøg med vand, der strømmer gennem en 20 meter lang, 2,5 centimeter diameter cylindrisk glasrør. Forskerne tilføjede små, hule partikler med omtrent samme densitet som vand, giver dem mulighed for at visualisere strømmen. De brugte en teknik kaldet laser Doppler -velocimetri til at måle hvirvlernes hastigheder i overgangsrørstrømmene. Med disse målte hastigheder, de beregnede energispektret.

Overraskende, fandt forskerne, at på trods af at det ser ud til at være forskelligt fra turbulente strømme, energispektret, der svarer til de små hvirvler i overgangsstrømmene, var i overensstemmelse med det universelle energispektrum fra Kolmogorovs teori.

Udover at give en ny konceptuel forståelse af overgangsstrømme, dette fund har anvendelser inden for teknik. I løbet af de sidste to årtier har Gioia og Chakrabortys forskning har vist, at energispektre kan hjælpe med at forudsige friktion mellem strømmen og røret - en stor bekymring for ingeniører. Jo mere friktion i et rør, jo vanskeligere er det at pumpe og transportere væsker som olie.

"Vores undersøgelse kombinerer esoteriske matematiske ideer med faktorer, som ingeniører bekymrer sig om, "sagde Chakraborty." Og, vi har fundet ud af, at Kolmogorovs teorier har bredere anvendelighed, som nogen troede. Dette er en spændende ny indsigt i turbulens såvel som i overgangen til turbulens. "