Fiber tracking metode leverer vigtig ny indsigt i turbulens

Uanset om det er hjertemumlen og rørledningstransport af olie, eller ujævne fly og spredning af forurenende stoffer, turbulens spiller en vigtig rolle i mange daglige begivenheder. Men på trods af at det er almindeligt, forskere forstår stadig ikke fuldt ud den tilsyneladende uforudsigelige opførsel af hvirvler og hvirvler i turbulente strømme.

Nu, en ny teknik til måling af turbulente strømme er blevet udviklet af et internationalt samarbejde mellem forskere fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) i Japan, sammen med universitetet i Genova, Italien, KTH Stockholm, Sverige og ETH Zürich, Schweiz. Ved at bruge fibre frem for partikler - den sædvanlige målemetode - kunne forskerne få et mere detaljeret billede af turbulente strømninger. Deres metode blev rapporteret den 17. september i tidsskriftet, Fysisk gennemgang X .

"Turbulens er et meget unikt og kompliceret fænomen, det er endda blevet kaldt det sidste uløste problem i klassisk fysik, "sagde Dr. Stefano Olivieri, en postdoktor fra Complex Fluids and Flows Unit på OIST, der var forfatter til undersøgelsen. "Det er svært at forudsige, svært at simulere, og svært at måle. "

Måling af turbulente strømme er en presserende udfordring for fysikere af mange årsager. Turbulens er ikke kun karakteriseret ved sin kaotiske og tilfældige natur, men det forekommer også på tværs af mange skalaer på én gang. I turbulente strømme, de hvirvlende hvirvler af væske nedbrydes til hvirvler, der er mindre og mindre i omfang, indtil hvirvlerne til sidst er så små og viskøse, at væskens kinetiske energi overføres til miljøet som varme.

I øjeblikket, den mest almindelige måde at måle turbulente strømme på er ved at spore partiklers bevægelse, kaldet sporstoffer, der tilsættes væsken. Disse partikler er små og ligner væsken, og så bevæge sig med samme hastighed og i samme retning som strømmen.

Men for at observere, hvordan hver hvirvelstrøm bevæger sig, at se på, hvordan en partikel bevæger sig, er ikke nok. Fysikere skal kunne bestemme, hvordan to partikler, der er en bestemt afstand fra hinanden, bevæger sig i forhold til hinanden. Jo mindre virvel, jo tættere på hinanden de to partikler skal være for at karakterisere hvirvelens bevægelse.

For at gøre sagen mere udfordrende, et af de kendetegnende træk ved turbulens er dens diffusivitet - en turbulent strømning vil sprede sig over tid, og det vil sporstofferne også især i åbne strømme, som en havstrøm. I mange tilfælde, sporstoffer kan hurtigt sprede sig for langt fra hinanden til at måle, hvordan hvirvlerne opfører sig.

"Hver sporstofpartikel bevæger sig uafhængigt af hinanden, så du har brug for masser af sporstofpartikler for at finde dem, der er den rigtige afstand fra hinanden, "forklarede professor Marco Rosti, der leder OIST Complex Fluids and Flows Unit.

"Og for mange sporstofpartikler kan faktisk forstyrre strømmen, " han tilføjede.

For at omgå dette problem, forskergruppen udviklede en innovativ og let løsning på problemet:brug af fibre i stedet for sporstofpartikler.

Forskerne lavede en computersimulering, hvor fibre af forskellig længde blev føjet til et turbulent flow. Disse fibre var stive, som holdt enderne af hver fiber en fast afstand fra hinanden. Ved at spore, hvordan hver fiber bevægede sig og roterede inden i væsken over tid, forskerne var i stand til at opbygge et billede, der omfattede den fulde skala og struktur af den turbulente strømning.

"Ved at bruge stive fibre, vi kan måle forskellen i hastighed og strømningsretning på to punkter en fast afstand fra hinanden, og vi kan se, hvordan disse forskelle ændrer sig afhængigt af hvirvelens skala. De korteste fibre gav os også mulighed for nøjagtigt at måle den hastighed, hvormed væskens kinetiske energi overføres fra den største til den mindste skala, hvor den derefter spredes af varme. Denne værdi, kaldes energidissipationshastigheden, er en afgørende mængde i karakteriseringen af ​​turbulente strømninger, "sagde prof. Rosti.

Forskerne udførte også det samme eksperiment i laboratoriet. De fremstillede to forskellige fibre, den ene lavet af nylon og den anden fra en polymer kaldet polydimethylsiloxan. Holdet testede begge disse fibre ved at tilføje dem til vandtank indeholdende turbulent vand og fandt ud af, at fibrene gav lignende resultater til simuleringen.

Imidlertid, brug af stive fibre har en vigtig advarsel, forskerne understregede, da fiberendernes samlede bevægelse er begrænset.

"På grund af fiberstivheden, fiberenderne kan ikke bevæge sig mod hinanden, selvom det er strømningsretningen. Det betyder, at en fiber ikke fuldt ud kan repræsentere strømmen af ​​bevægelsen på samme måde som sporstofpartikler kan, "forklarede Dr. Olivieri." Så før vi overhovedet begyndte simuleringer eller laboratorieforsøg, vi havde først brug for at udvikle en passende teori, der tog hensyn til disse bevægelsesbegrænsninger. Dette var måske den mest udfordrende del af projektet. "

Forskerne målte også den samme turbulente strømning i laboratoriet på den konventionelle måde, ved at tilføje en høj koncentration af sporstofpartikler til vandtanken. Resultaterne opnået fra de to forskellige metoder var ens, at kontrollere, at fibermetoden og den nyudviklede teori gav nøjagtige oplysninger.

Bevæger sig fremad, forskerne håber at udvide deres metode til at inkorporere fleksible fibre, der har mindre begrænsninger for, hvordan de bevæger sig. De planlægger også at udvikle en teori, der kan hjælpe med at måle turbulens i mere komplekse ikke-newtonske væsker, der opfører sig anderledes end vand eller luft.

"Denne nye teknik har et stort spændende potentiale, især for forskere, der studerer turbulens i store, åbne strømme som havstrømme, "sagde prof. Rosti." Og let at kunne måle mængder, der tidligere var vanskelige at få, bringer os et skridt tættere på fuldt ud at forstå turbulens. "