Demonstrerer hvirvler som Brownske partikler i turbulente strømme

Brownsk bevægelse af partikler i væske er en almindelig kollektiv adfærd i biologiske og fysiske systemer. I en ny rapport om Videnskab fremskridt , Kai Leong Chong, og et hold af forskere i fysik, ingeniørarbejde, og rumfartsteknik i Kina, udført eksperimenter og numeriske simuleringer for at vise, hvordan bevægelsen af ​​hvirvler lignede inerti Brownske partikler. Under forsøgene, den roterende turbulente konvektive hvirvelstrøm tillod partiklerne at bevæge sig ballistisk først og diffusivt efter et kritisk tidspunkt i en direkte adfærdsmæssig overgang - uden at gå gennem et hydrodynamisk hukommelsesregime. Arbejdet indebærer, at konvektive hvirvler har inerti-induceret hukommelse, så deres kortsigtede bevægelse var veldefineret inden for rammerne af Brownsk bevægelse her for første gang.

Brownsk bevægelse

Albert Einstein gav først en teoretisk forklaring på Brownsk bevægelse i 1905 med bevægelsen af ​​pollenpartikler i et termisk bad, fænomenet er nu et almindeligt eksempel på stokastiske processer, der i vid udstrækning forekommer i naturen. Senere i 1908, Paul Langevin bemærkede partiklernes inerti og forudsagde, at deres bevægelse ville være ballistisk inden for en kort periode, skifte til diffus bevægelse efter en bestemt tidslinje. Imidlertid, på grund af den hurtige overgang, det tog mere end et århundrede for forskere at kunne observere fænomenet direkte. Alligevel, den "rene" Brownske bevægelse forudsagt af Langevin blev ikke observeret i væskesystemer, og overgangen spændte over en bred vifte af tidsskalaer. Den langsomme og jævne overgang opstod på grund af den hydrodynamiske hukommelseseffekt, for i sidste ende at generere lang rækkevidde korrelationer. Forskere havde tidligere observeret den hydrodynamiske hukommelseseffekt i flere systemer, inklusive kolloide suspensioner, partikler suspenderet i luft og partikler fanget i en optisk pincet. I dette arbejde, Chong et al. viste, hvordan hvirvler i stærkt bindende strømme opførte sig som inertielle partikler for at udføre ren Brownsk bevægelse, for første gang, uden at blive påvirket af den hydrodynamiske effekt. De identificerede og ekstraherede hvirvlerne ved hjælp af Q-kriteriet (en metode til vortex-identifikation). Arbejdet vil hjælpe dem med at forudsige hvirvelbevægelsen i en bestemt periode i astrofysiske og geofysiske systemer.

En eksisterende udfordring i astrofysisk og geofysisk forskning er at forudsige bevægelsen af ​​hvirvler inden for en bestemt tidsperiode. Chong et al. brugte et modelsystem til at studere hvirvler i konvektive strømme kendt som Rayleigh Benard (RB) konvektion, som omfatter et flydende lag med fast højde, opvarmet nedefra og afkølet ovenfra, mens den drejes om den lodrette akse med en vinkelhastighed. Temperaturforskellen i systemet destabiliserede flowet til, at konvektion kunne opstå, når det termiske drev var tilstrækkeligt stærkt. Forskerne brugte tre dimensionsløse parametre til at karakterisere flowdynamikken, inklusive Rayleigh-nummeret (Ra), Prandtl-nummer (Pr) og Ekman-nummeret (Ek). I nærvær af rotation, hvirvelstrukturer opstod som væskepakker, der spiralerede op eller ned. Forskere fortsætter med at undersøge sådanne hvirvelfaner på grund af deres betydning for momentum og varmetransport.

Chong et al. studerede først hvirvlernes bevægelse ved at spore deres positionsændring via en række snapshots. De karakteriserede hvirvlernes statistiske opførsel ved hjælp af deres gennemsnitlige kvadratiske forskydning (MSD). MSD-værdierne for forskellige Ek og Ra udviste lignende adfærd, hvilket indikerer, at hvirvelbevægelsen i en kort tidsramme blev overført fra ballistisk bevægelse til diffusiv bevægelse. Denne overgang lignede Brownsk bevægelse i et termisk bad. Forskerne behandlede derfor hvirvlerne som Brownske partikler og beskrev deres bevægelse ved at løse Langevin-ligningen for at opnå deres MSD. Resultaterne antydede lignende dynamik af hvirvelbevægelser for Ra og Ek, tyder på, at hvirvlerne udviste "ren Brownsk" adfærd. I konvektionssystemet, hvirvler førte væskepakker, der var varmere og koldere end den omgivende væske; denne relativt lille densitetsforskel forårsaget af temperaturvariationer i eksperimentet gav anledning til den bemærkelsesværdige ballistiske adfærd.

På trods af Brownsk-lignende bevægelser, den rumlige fordeling af hvirvlerne var ikke tilfældig, og udstillede mønstrede strukturer, som forskerne opnåede ved hjælp af snapshots af flere rotationshastigheder. Da Ekman-tallet (Ek) varierede, der skete flere ændringer i hvirvelfordelingen. I starten antallet af hvirvler steg med rotationshastigheden, således at de oprindeligt fortyndede og tilfældigt fordelte hvirvler blev stærkt koncentrerede og klyngede. Den stigende hvirveltæthed med rotationshastigheden stemte også overens med tidligere undersøgelser. Næste, når rotationshastigheden blev tilstrækkelig høj, de dannede en hvirvelgitterstruktur. Når Chong et al. zoomet ind i et lokalt område for at observere den højeste rotationshastighed, de observerede et regelmæssigt mønster for sådanne hvirvelgitterstrukturer. De rødlige områder af hvirvlerne dannede et firkantet gitter, og de mellemliggende blålige lokaliserede områder viste høj belastningsadfærd. Holdet krediterede de firkantede mønstre, der blev observeret i arbejdet, til forskellige grænseindstillinger og kontrolparametre.

På trods af tilfældig bevægelse i det tidsmæssige domæne, hvirvlerne viste en bestemt rumlig orden, hvilket resulterede i en tilsyneladende modsætning. Chong et al. observerede hvirvlernes baner under langsom og hurtig rotation. Imidlertid, hvirvlerne rejste ikke langt nok til at "se" eller interagere med andre hvirvler. De krediterede hvirvlernes rumlige rækkefølge til konkurrencen mellem de to dynamiske processer karakteriseret ved hvirvelens afslapningstidsskala og Brownske tidsskala, henholdsvis.

På denne måde, Kai Leong Chong og kolleger viste, hvordan bevægelsen af ​​hvirvler i roterende termisk konvektion lignede inertielle partikler, der udfører Brownsk bevægelse. Bevægelsen gennemgik en skarp overgang fra ballistiske til diffusive områder uden at opleve et mellemliggende hydrodynamisk hukommelsesområde. Observationen af ​​ren Brownsk bevægelse blev først forudsagt af Paul Langevin, selvom det ikke tidligere er observeret i praksis for inertielle partikler i væskesystemer. Arbejdet fremhævede eksisterende klassisk teoretisk arbejde, der viste, hvordan passive spor udviste en overgang fra ballistisk til diffusiv adfærd, svarende til de eksperimentelle observationer i denne undersøgelse. Den observerede rene Brownske bevægelse indikerede også ubetydeligheden af ​​den hydrodynamiske hukommelseseffekt. Chong et al. betragtede Coriolis-kraften under undersøgelsen på grund af dens relevans i hvirveldannelse i naturlige fænomener, inklusive tropiske cykloner i atmosfæren, havhvirvler og den langlivede kæmpe røde plet i Jupiter. Resultaterne vil påvirke mange situationer inden for astrofysik, geofysik og meteorologi.

© 2020 Science X Network