Optrævlende turbulens:Ny indsigt i, hvordan væsker forvandles fra orden til uorden

Turbulens er overalt - det rasler vores fly og laver små boblebade i vores badekar - men det er et af de mindst forståede fænomener i klassisk fysik.

Turbulens opstår, når en ordnet væskestrøm bryder i små hvirvler, som interagerer med hinanden og bryder ind i endnu mindre hvirvler, som interagerer med hinanden og så videre, bliver den kaotiske malstrøm af uorden, der gør white water rafting så sjovt.

Men mekanikken bag denne nedstigning til kaos har undret videnskabsmænd i århundreder.

Når de ikke forstår noget, fysikere har en go-to-løsning:smadre det sammen. Vil du forstå de grundlæggende byggesten i universet? Smash partikler sammen. Vil du optrevle den underliggende turbulensmekanik? Smash hvirvler sammen.

Forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) kan have identificeret en fundamental mekanisme, hvorved turbulens udvikler sig ved at smadre hvirvelringe frontalt ind i hinanden, optagelse af resultaterne med kameraer med ultrahøj opløsning, og rekonstruering af kollisionsdynamikken ved hjælp af et 3-D visualiseringsprogram. Sammen med analysen af ​​numeriske simuleringer udført af samarbejdspartnere ved University of Houston og ENS de Lyon, forskerne har fået en hidtil uset indsigt i, hvordan fluidiske systemer transformerer sig fra orden til uorden.

Forskningen er beskrevet i Videnskabens fremskridt .

"Vores evne til at forudsige vejret, forstå hvorfor en Boeing 747 flyver selv med turbulente strømme i kølvandet, og bestemme de globale strømme i havet afhænger af, hvor godt vi modellerer turbulens, " sagde Shmuel Rubinstein, Lektor i anvendt fysik ved SEAS og tilsvarende forfatter til papiret. "Imidlertid, vores forståelse af turbulens mangler stadig en mekanistisk beskrivelse, der forklarer, hvordan energi kaskaderer til mindre og mindre skalaer, indtil den til sidst forsvinder. Denne forskning åbner døren til netop den slags forståelse."

"At prøve at forstå, hvad der foregår i et ekstremt komplekst system som turbulens er altid en udfordring, " sagde Rodolfo Ostilla-Mónico, Assistant Professor of Mechanical Engineering ved University of Houston og tilsvarende forfatter til papiret. "På enhver længdeskala, hvirvler belaster og komprimerer hinanden for at skabe et kaotisk billede. Med dette arbejde, vi kan begynde at isolere og se simple parinteraktioner, og hvordan disse fører til rig dynamik, når nok af dem er til stede."

Fysikere har brugt vortex-kollidere til at forstå turbulenser siden 1990'erne, men tidligere eksperimenter har ikke været i stand til at bremse og rekonstruere mekanikken bag kollisionen, i det øjeblik det går ned i kaos. At gøre det, forskerne synkroniserede et kraftfuldt scannende laserark med et højhastighedskamera – i stand til at tage hundredtusindvis af billeder i sekundet – for hurtigt at scanne hele kollisionen i realtid.

De brugte hvirvelkanoner i et 75 gallon akvarium til at producere hvirvlerne. Hver hvirvel blev farvet i en anden farve, så forskerne kunne observere, hvordan de interagerer, når de støder voldsomt sammen. Det tager mindre end et sekund for ringene at forsvinde til et pust af farvestof efter kollisionen, men inden for den tid, der sker en masse fysik.

Først, ringene strækker sig udad, mens de smadrer ind i hinanden, og kanterne danner antisymmetriske bølger. Toppene af disse bølger udvikler sig til fingerlignende filamenter, som vokser vinkelret mellem de kolliderende kerner.

Disse filamenter roterer modsat med deres naboer, skabe en ny række af miniaturehvirvler, der interagerer med hinanden i millisekunder. Disse hvirvler danner også filamenter, som igen danner hvirvler. Forskerholdet observerede tre generationer af denne kaskadende cyklus, hver den samme som før, kun mindre - en russisk rededukke af uorden.

"Denne lignende adfærd fra stor skala til lille skala dukker op meget hurtigt og velordnet, før det hele bryder sammen i turbulens, " sagde Ryan McKeown, en kandidatstuderende ved SEAS og førsteforfatter af papiret. "Denne kaskadeeffekt er virkelig spændende, fordi den kunne pege på en universel mekanisme for, hvordan disse interaktioner fungerer, uafhængig af skala."

Ud over eksperimenterne, forskerholdet udviklede også numeriske simuleringer for at forstå dynamikken i sammenbruddet og kvantificere, hvordan energispektret af kaskaden udvikler sig. Turbulens har et meget specifikt og veldefineret energispektrum. Selvom dette system er betydeligt enklere end turbulensen, der rasler et fly, forskerne fandt ud af, at energispektret ved det sene nedbrydning af hvirvlerne følger den samme afslørende skalering af fuldt udviklet turbulens.

"Dette er en god indikation af, at selvom dette er et andet system - i kort tid - skaber det de samme betingelser for turbulens. Det er et udgangspunkt, " sagde McKeown.