in

I fisici scoprono una nuova struttura dinamica per la turbolenza

I fisici scoprono una nuova struttura dinamica per la turbolenza

L’esperimento dei ricercatori consisteva in pareti trasparenti per consentire il pieno accesso visivo e utilizzava la visualizzazione del flusso all’avanguardia. Fonte: foto: Michael Schatz

La turbolenza gioca un ruolo chiave nella nostra vita quotidiana, rendendo i viaggi in aereo accidentati, influenzando il tempo e il clima, limitando l’efficienza del carburante delle auto che guidiamo e influenzando le tecnologie per l’energia pulita. Tuttavia, scienziati e ingegneri hanno riflettuto su come prevedere e modificare i flussi di fluidi turbolenti, e questo è rimasto a lungo uno dei problemi più impegnativi della scienza e dell’ingegneria.

Ora, i fisici del Georgia Institute of Technology hanno dimostrato, numericamente e sperimentalmente, che la turbolenza può essere compresa e quantificata utilizzando un insieme relativamente piccolo di soluzioni specializzate alle equazioni di fluidodinamica che possono essere precalcolate per una data geometria. una volta per tutte.

“Per quasi un secolo, la turbolenza è stata statisticamente descritta come un processo casuale”, afferma Roman Grigoriev. “I nostri risultati forniscono la prima illustrazione sperimentale che la dinamica della turbolenza è deterministica su scale temporali ragionevolmente brevi – e le collega alle equazioni fondamentali deterministiche sottostanti”.

I risultati sono stati pubblicati in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze il 19 agosto 2022. Il team di ricerca era guidato da Grigoriev e Michael Schatz, professori della Georgia Tech’s School of Physics che hanno collaborato a vari progetti di ricerca negli ultimi due decenni.

Schatz e Grigoriev sono stati raggiunti nello studio dagli studenti laureati della School of Physics Chris Crowley, Joshua Pughe-Sanford e Wesley Toler, insieme a Michael Krygier, un ricercatore post-dottorato presso i Sandia National Laboratories che ha sviluppato i risolutori numerici dello studio come studente laureato presso la Georgia coinvolta Tech.

I fisici scoprono una nuova struttura dinamica per la turbolenza

La configurazione ha consentito ai ricercatori di ricostruire il flusso tracciando il movimento di milioni di particelle fluorescenti sospese. Fonte: foto: Michael Schatz

Una nuova “roadmap” per la ricerca sulla turbolenza

La previsione quantitativa dell’evoluzione dei flussi turbolenti – e in effetti di quasi tutte le loro proprietà – è piuttosto difficile. “La simulazione numerica è l’unico approccio predittivo affidabile esistente”, ha affermato Grigoriev. “Ma può diventare terribilmente costoso. L’obiettivo della nostra ricerca era rendere le previsioni meno costose”.

I ricercatori hanno creato una nuova “tabella di marcia” della turbolenza considerando un debole flusso turbolento intrappolato tra due cilindri a rotazione indipendente, offrendo al team un’opportunità unica di confrontare le osservazioni sperimentali con i flussi calcolati numericamente, poiché non erano presenti “effetti finali”. che esistono in geometrie più familiari come B. flusso in un tubo.

“La turbolenza può essere pensata come un’auto che segue una serie di strade”, ha detto Grigoriev. “Forse un’analogia ancora migliore è un treno che non solo segue un orario prescritto su una ferrovia, ma ha anche la stessa forma della ferrovia che sta seguendo”.

L’esperimento includeva pareti trasparenti per consentire il pieno accesso visivo e utilizzava una visualizzazione del flusso all’avanguardia, che ha consentito ai ricercatori di ricostruire il flusso tracciando il movimento di milioni di particelle fluorescenti sospese. Parallelamente, sono stati utilizzati metodi numerici avanzati per calcolare soluzioni ricorrenti dell’equazione alle derivate parziali (equazione di Navier-Stokes) che regola i flussi di fluido in condizioni che corrispondono esattamente all’esperimento.

È noto che i flussi di fluidi turbolenti esibiscono un repertorio di modelli – noti nell’arte come “strutture coerenti” – che hanno un profilo spaziale ben definito ma appaiono e scompaiono in modi apparentemente casuali. Analizzando i loro dati sperimentali e numerici, i ricercatori hanno scoperto che questi modelli di flusso e la loro evoluzione sono simili a quelli descritti dalle particolari soluzioni che hanno calcolato. Queste soluzioni speciali sono sia ricorrenti che instabili, ovvero descrivono schemi di flusso che si ripetono in brevi periodi di tempo. La turbolenza traccia una di queste soluzioni dopo l’altra, il che spiega quali modelli possono verificarsi e in quale ordine.

I fisici scoprono una nuova struttura dinamica per la turbolenza

Uno schema di ricerca dei fisici. Crediti fotografici: Michael Schatz, Roman Grigoriev.

Soluzioni ricorrenti, due frequenze

“Tutte le soluzioni ricorrenti che abbiamo trovato in questa geometria si sono rivelate quasi periodiche, cioè caratterizzate da due frequenze distinte”, ha detto Grigoriev. Una frequenza descriveva la rotazione complessiva del modello di flusso attorno all’asse di simmetria del flusso, mentre l’altra descriveva i cambiamenti nella forma del modello di flusso in un sistema di riferimento co-rotante con il modello. I flussi corrispondenti vengono ripetuti periodicamente in questi frame corotanti.

“Abbiamo quindi confrontato i flussi turbolenti con queste soluzioni ricorrenti in esperimenti e simulazioni numeriche dirette e abbiamo scoperto che la turbolenza segue accuratamente (traccia) una soluzione ricorrente dopo l’altra finché il flusso turbolento persiste”, ha affermato Grigoriev. “Tali comportamenti qualitativi sono stati previsti per sistemi caotici a bassa dimensione, come il famoso modello di Lorenz, che è stato derivato sei decenni fa come modello semplificato dell’atmosfera”.

Il lavoro rappresenta la prima osservazione sperimentale di ricorrenti soluzioni caotiche di motion tracking effettivamente osservate in flussi turbolenti. “La dinamica dei flussi turbolenti è ovviamente molto più complicata a causa della natura quasi periodica delle soluzioni ricorrenti”, ha aggiunto Grigoriev.

“Utilizzando questo metodo, abbiamo dimostrato in modo conclusivo che l’organizzazione della turbolenza sia nello spazio che nel tempo è ben catturata da queste strutture”, hanno affermato i ricercatori. “Questi risultati forniscono la base per rappresentare la turbolenza in termini di strutture coerenti e sfruttare la loro persistenza nel tempo per superare gli effetti devastanti del caos sulla nostra capacità di prevedere, controllare e progettare flussi di fluidi”.

Una nuova base dinamica per il flusso di fluidi 3D

Questi risultati hanno l’impatto più immediato sulla comunità di fisici, matematici e ingegneri che stanno ancora cercando di comprendere la turbolenza dei fluidi, che rimane “forse il più grande problema irrisolto di tutta la scienza”, ha detto Grigoriev.

“Questo lavoro si basa e si espande sul lavoro precedente sulla turbolenza dei fluidi dello stesso gruppo, alcuni dei quali sono stati segnalati alla Georgia Tech nel 2017”, ha aggiunto. “In contrasto con il lavoro discusso in questo documento, incentrato sui flussi di fluidi bidimensionali idealizzati, la ricerca attuale affronta i flussi tridimensionali più praticamente importanti e più complicati”.

In definitiva, lo studio del team getta le basi matematiche per la turbolenza dei fluidi che è di natura dinamica piuttosto che statistica, e quindi ha la capacità di fare previsioni quantitative critiche per un’ampia gamma di applicazioni.

“Può darci l’opportunità di migliorare notevolmente l’accuratezza delle previsioni meteorologiche e, soprattutto, consentire la previsione di eventi estremi come uragani e tornado”, ha affermato Grigoriev. “Le strutture dinamiche sono anche fondamentali per la nostra capacità di progettare flussi con proprietà desiderabili, come la ridotta resistenza aerodinamica nei veicoli per migliorare l’efficienza del carburante o un migliore trasporto di massa per rimuovere più anidride carbonica dall’atmosfera nel fiorente settore della separazione diretta dell’aria”.


I ricercatori svelano le proprietà multiscala dell’elicità nei flussi turbolenti confinati nelle pareti


Maggiori informazioni:
Christopher J. Crowley et al, Turbolenza traccia soluzioni ricorrenti, Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze (2022). DOI: 10.1073/pnas.2120665119

Fornito dal Georgia Institute of Technology

Citazione: I fisici scoprono un nuovo quadro dinamico per la turbolenza (2022, 29 agosto), recuperato il 30 agosto 2022 da https://phys.org/news/2022-08-physicists-uncover-dynamical-framework-turbulence.html

Questo documento è protetto da copyright. Fatta eccezione per il commercio equo e solidale a scopo di studio o ricerca privata, nessuna parte può essere riprodotta senza autorizzazione scritta. Il contenuto è solo a scopo informativo.

Il DNA delle meduse “immortali” può fornire indizi sull’invecchiamento umano, rileva la ricerca

Perché il lancio di Artemis 1 della NASA è stato cancellato e quali sono le prospettive? | notizie spaziali