Forskere afslører, at elastisk turbulens har mere til fælles med klassisk Newtonsk turbulens end forventet

Blod, lymfevæske og andre biologiske væsker kan have overraskende og nogle gange bekymrende egenskaber. Mange af disse biologiske opløsninger er ikke-newtonske væsker, en type væske, der er karakteriseret ved et ikke-lineært forhold mellem stress og belastning. Følgelig opfører ikke-newtonske væsker sig ikke nødvendigvis, som man ville forvente af en væske. For eksempel deformeres nogle af disse ejendommelige væsker, når de berøres let, men vil næsten fungere som et fast stof, når der påføres en stærk kraft.

Og biologiske løsninger er ingen undtagelse, når det kommer til unikke egenskaber - en af ​​dem er elastisk turbulens. Et udtryk, der beskriver den kaotiske væskebevægelse, der er resultatet af tilsætning af polymerer i små koncentrationer til vandige væsker. Denne type turbulens findes kun i ikke-newtonske væsker.

Dens modstykke er klassisk turbulens, der forekommer i newtonske væsker, for eksempel i en flod, når vandet med høj hastighed flyder forbi en bros søjle. Mens der eksisterer matematiske teorier til at beskrive og forudsige klassisk turbulens, venter elastisk turbulens alligevel sådanne værktøjer på trods af deres betydning for biologiske prøver og industrielle anvendelser.

"Dette fænomen er vigtigt i mikrofluidik, for eksempel ved blanding af små volumener af polymere opløsninger, hvilket kan være vanskeligt. De blandes ikke godt på grund af den meget jævne strømning," forklarer prof. Marco Edoardo Rosti, leder af Complex Fluids and Flows Enhed.

Hidtil har forskere tænkt på elastisk turbulens som helt anderledes end klassisk turbulens, men laboratoriets publikation i tidsskriftet Nature Communications kan ændre denne visning. Forskere fra OIST arbejdede sammen med forskere fra TIFR i Indien og NORDITA i Sverige for at afsløre, at elastisk turbulens har mere til fælles med klassisk Newtonsk turbulens end forventet.

"Vores resultater viser, at elastisk turbulens har en universel kraftlovsnedbrydning af energi og en hidtil ukendt intermitterende adfærd. Disse resultater giver os mulighed for at se på problemet med elastisk turbulens fra en ny vinkel," forklarer prof. Rosti. Når forskerne beskriver et flow, bruger de ofte et hastighedsfelt. "Vi kan se på fordelingen af ​​hastighedsudsving for at lave statistiske forudsigelser om flow," siger Dr. Rahul K. Singh, publikationens første forfatter.

Når man studerer klassisk Newtonsk turbulens, måler forskere hastighed over hele strømmen og bruger forskellen mellem to punkter til at skabe et hastighedsforskelfelt.

"Her måler vi hastigheden ved tre punkter og beregner den anden forskel. Først beregnes en forskel ved at trække væskehastigheder målt ved to forskellige punkter fra. Vi trækker derefter to sådanne første forskelle fra igen, hvilket giver os den anden forskel," forklarer Dr. Singh.

Denne type forskning kom med en ekstra udfordring - at køre disse komplekse simuleringer kræver kraften fra avancerede supercomputere. "Vores simuleringer kører nogle gange i fire måneder og udsender en enorm mængde data," siger prof. Rosti.

Dette øgede detaljeringsniveau førte til en overraskende konstatering - at hastighedsfeltet i elastisk turbulens er intermitterende. For at illustrere, hvordan intermittens i flow ser ud, bruger Dr. Singh elektrokardiogrammet (EKG) som et eksempel.

"I en EKG-måling har signalet små udsving afbrudt af meget skarpe toppe. Dette pludselige store udbrud kaldes intermittens," siger Dr. Singh.

I klassiske væsker var sådanne fluktuationer mellem små og meget store værdier allerede blevet beskrevet, men kun for turbulens, der opstår ved høje strømningshastigheder. Forskerne var overraskede over nu at finde det samme mønster i elastisk turbulens, der opstår ved meget små strømningshastigheder. "Ved disse lave hastigheder forventede vi ikke at finde så stærke udsving i hastighedssignalet," siger Dr. Singh.

Deres resultater er ikke kun et stort skridt mod en bedre forståelse af fysikken bag lavhastighedsturbulens, men lægger også grundlaget for at udvikle en komplet matematisk teori, der beskriver elastisk turbulens. "Med en perfekt teori kunne vi lave forudsigelser om flowet og designe enheder, der kan ændre blanding af væsker. Dette kan være nyttigt, når man arbejder med biologiske løsninger," siger prof. Rosti.