Метод слежения за волокном позволяет по-новому взглянуть на турбулентность.

Вихри и водовороты в турбулентных потоках возникают в широком диапазоне масштабов. Предоставлено: Комплексные жидкости и потоки, OIST.

Будь то шумы в сердце и транспортировка нефти по трубопроводу, или неровности самолетов и распространение загрязняющих веществ, турбулентность играет важную роль во многих повседневных событиях. Но, несмотря на банальность, ученые до сих пор не до конца понимают, казалось бы, непредсказуемое поведение завихрений и водоворотов в турбулентных потоках.

Теперь новый метод измерения турбулентных потоков был разработан международным сотрудничеством ученых из Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) в Японии, а также Университета Генуи, Италия, KTH Стокгольма, Швеция и ETH Zurich. , Швейцария. Используя волокна, а не частицы – обычный метод измерения – исследователи могли получить более подробную картину турбулентных потоков. Их метод был опубликован 17 сентября в журнале. Физический обзор X.

«Турбулентность – очень уникальное и сложное явление, ее даже называют последней нерешенной проблемой в классической физике», – сказал доктор Стефано Оливьери, научный сотрудник отдела сложных жидкостей и потоков в OIST, который был автором исследования. «Это сложно предсказать, сложно смоделировать и сложно измерить».

Измерение турбулентных течений является актуальной задачей для физиков по многим причинам. Турбулентность не только характеризуется хаотической и случайной природой, но также возникает во многих масштабах одновременно. В турбулентных потоках закрученные вихри жидкости распадаются на водовороты все меньшего и меньшего размера, пока в конечном итоге водовороты не станут настолько маленькими и вязкими, что кинетическая энергия жидкости передается окружающей среде в виде тепла.

В настоящее время наиболее распространенным способом измерения турбулентных потоков является отслеживание движения частиц, называемых индикаторами, которые добавляются в жидкость. Эти частицы крошечные и имеют такую ​​же плотность, что и жидкость, поэтому движутся с той же скоростью и в том же направлении, что и поток.

Исследователи создали симуляцию, в которой волокна были добавлены в турбулентный поток. Затем движение волокон использовалось для извлечения информации о потоке. Предоставлено: Комплексные жидкости и потоки, OIST.

Но для того, чтобы наблюдать, как движется каждый водоворот жидкости, недостаточно взглянуть на то, как движется одна частица. Физикам необходимо уметь определять, как две частицы, находящиеся на определенном расстоянии друг от друга, движутся по отношению друг к другу. Чем меньше вихрь, тем ближе должны быть друг к другу две частицы, чтобы характеризовать движение вихря.

Что еще более усложняет задачу, одной из определяющих характеристик турбулентности является ее диффузионная способность. турбулентный поток будут распространяться со временем, как и трассеры, особенно в открытых потоках, подобных океанскому течению. Во многих случаях индикаторы могут быстро разойтись слишком далеко друг от друга, чтобы измерить, как ведут себя водовороты.

«Каждая частица индикатора движется независимо друг от друга, поэтому вам нужно много частиц индикатора, чтобы найти те, которые находятся на нужном расстоянии друг от друга», – пояснил профессор Марко Рости, возглавляющий подразделение OIST по сложным жидкостям и потокам.

«И слишком много трассирующих частиц может фактически нарушить поток», – добавил он.

Чтобы обойти эту проблему, исследовательская группа разработала новаторское и простое решение проблемы: использование волокон вместо частиц-индикаторов.

Исследователи создали компьютерную симуляцию, в которой к турбулентному потоку добавлялись волокна разной длины. Эти волокна были жесткими, что удерживало концы каждого волокна на фиксированном расстоянии друг от друга. Отслеживая, как каждое волокно перемещалось и вращалось в жидкости с течением времени, исследователи смогли построить картину, которая охватывала полный масштаб и структуру турбулентного потока.

Метод слежения за волокном позволяет по-новому взглянуть на турбулентность.

Исследовательская группа из ETH Zurich создала турбулентный поток в закрытом резервуаре с водой и отслеживала движение волокон. Кредит: ETH Zurich

«Используя жесткие волокна, мы можем измерить разницу в скорости и направлении потока в двух точках на фиксированном расстоянии друг от друга, и мы можем увидеть, как эти различия меняются в зависимости от масштаба вихря. Самые короткие волокна также позволили нам для точного измерения скорости, с которой кинетическая энергия жидкость передается от самых больших к самым мелким масштабам, где затем рассеивается с помощью тепла. Эта величина, называемая скоростью диссипации энергии, является решающей величиной для характеристики турбулентных потоков », – сказал профессор Рости.

Исследователи также провели тот же эксперимент в лаборатории. Они производили два разных волокна: одно из нейлона, а другое из полимера, называемого полидиметилсилоксаном. Команда протестировала оба этих волокна, добавив их в резервуар для воды, содержащий турбулентную воду, и обнаружила, что волокна дали результаты, аналогичные результатам моделирования.

Однако, как подчеркнули ученые, использование жестких волокон связано с одной важной оговоркой, поскольку общее движение концов волокон ограничено.

«Из-за жесткости волокна концы волокна не могут двигаться навстречу друг другу, даже если это направление потока. Это означает, что волокно не может полностью отображать движение потока так же, как частицы индикатора», объяснил доктор Оливьери. «Поэтому, прежде чем мы даже приступили к моделированию или лабораторным экспериментам, нам сначала нужно было разработать подходящую теорию, которая учитывала бы эти ограничения движения. Это была, пожалуй, самая сложная часть проекта».

Исследователи также измерили тот же турбулентный поток в лаборатории обычным способом, добавив высокую концентрацию индикаторных частиц в резервуар для воды. Результаты, полученные с помощью двух разных методов, были схожими, подтверждая, что волоконный метод и недавно разработанная теория дают точную информацию.

Двигаясь вперед, исследователи надеются расширить свой метод, включив в него гибкие волокна у которых меньше ограничений на то, как они двигаются. Они также планируют разработать теорию, которая поможет измерить турбулентность в более сложных неньютоновских жидкостях, которые ведут себя иначе, чем вода или воздух.

«Этот новый метод имеет большой захватывающий потенциал, особенно для ученых, изучающих турбулентность в больших открытых потоках, таких как океанские течения», – сказал профессор Рости. «А возможность легко измерять величины, которые ранее было трудно получить, приближает нас на один шаг к полному пониманию турбулентности».


Секреты передачи COVID-19 раскрыты в бурных порывах


Больше информации:
Стефано Бриззолара и др., Волоконно-отслеживающая скорость для двухточечной статистики турбулентности, Физический обзор X (2021 г.). DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.031060

Цитата: Метод отслеживания волокон позволяет получить важную новую информацию о турбулентности (2021 г., 17 сентября), полученную 17 сентября 2021 г. из https://phys.org/news/2021-09-fiber-tracking-method-important-insights.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, воспроизведение какой-либо части без письменного разрешения запрещено. Контент предоставляется только в информационных целях.

Leave a Comment