Turbulenzen auflösen: Wie sich Flüssigkeiten von Ordnung zu Unordnung wandeln

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Kollisionsdynamik zweier Wirbel

Eine 3D-Rekonstruktion der Kollisionsdynamik zweier Wirbel. Bildnachweis: Ryan McKeown / Harvard SEAS

Turbulenzen sind überall – sie rasseln unsere Flugzeuge und machen winzige Strudel in unseren Badewannen – aber es ist eines der am wenigsten verstandenen Phänomene in der klassischen Physik.

Turbulenzen treten auf, wenn ein geordneter Flüssigkeitsstrom in kleine Wirbel zerfällt, die miteinander interagieren, und in noch kleinere Wirbel zerfällt, die miteinander interagieren und so weiter. Dies wird zum chaotischen Strudel der Unordnung, der Wildwasser-Rafting so viel Spaß macht.

Aber die Mechanik dieses Abstiegs ins Chaos hat Wissenschaftler seit Jahrhunderten verwirrt.

Wenn sie etwas nicht verstehen, haben Physiker eine Lösung: Zerschlagen Sie es. Möchten Sie die Grundbausteine ​​des Universums verstehen? Partikel zusammenschlagen. Möchten Sie die zugrunde liegenden Mechanismen der Turbulenzen aufdecken? Wirbel zusammenschlagen.

Forscher der Harvard John A. Paulson School für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften (SEAS) haben möglicherweise einen grundlegenden Mechanismus identifiziert, durch den sich Turbulenzen entwickeln, indem sie Wirbelringe frontal ineinander schlagen und die Ergebnisse mit hochauflösenden Kameras aufzeichnen Rekonstruktion der Kollisionsdynamik mit einem 3D-Visualisierungsprogramm. In Verbindung mit der Analyse numerischer Simulationen, die von Mitarbeitern der University of Houston und der ENS de Lyon durchgeführt wurden, haben die Forscher beispiellose Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich fluidische Systeme von Ordnung zu Störung wandeln.

Die Forschung ist in Science Advances beschrieben.

“Unsere Fähigkeit, das Wetter vorherzusagen, zu verstehen, warum eine Boeing 747 auch mit turbulenten Strömungen fliegt, und die globalen Strömungen im Ozean zu bestimmen, hängt davon ab, wie gut wir Turbulenzen modellieren”, sagte Shmuel Rubinstein, Associate Professor für Angewandte Physik an der SEAS und entsprechender Autor des Papiers. „Unserem Verständnis von Turbulenzen fehlt jedoch noch eine mechanistische Beschreibung, die erklärt, wie Energie zu immer kleineren Maßstäben kaskadiert, bis sie schließlich abgebaut wird. Diese Forschung öffnet die Tür zu genau diesem Verständnis. “

Vortex Smashing

Wirbelkanonen feuern in einem 75-Gallonen-Aquarium, um die Wirbel zu erzeugen. Jeder Wirbel wurde in einer anderen Farbe gefärbt, damit die Forscher beobachten konnten, wie sie interagieren. Bildnachweis: Harvard SEAS

“Es ist immer eine Herausforderung, zu verstehen, was in einem äußerst komplexen System wie Turbulenzen vor sich geht”, sagte Rodolfo Ostilla-Mónico, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Universität von Houston und entsprechender Autor des Papiers. „Auf jeder Längenskala belasten und komprimieren sich die Wirbel gegenseitig, um ein chaotisches Bild zu erzeugen. Mit dieser Arbeit können wir beginnen, einfache Paarinteraktionen zu isolieren und zu beobachten, und wie diese zu einer reichen Dynamik führen, wenn genug davon vorhanden sind. “

Seit den 1990er Jahren verwenden Physiker Wirbelkollider, um Turbulenzen zu verstehen, aber frühere Experimente konnten die Mechanik der Kollision nicht verlangsamen und rekonstruieren, sobald sie ins Chaos gerät. Zu diesem Zweck synchronisierten die Forscher ein leistungsstarkes Scan-Laserblatt mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die Hunderttausende von Bildern pro Sekunde aufnehmen kann, um die gesamte Kollision schnell in Echtzeit zu scannen.

Sie verwendeten Wirbelkanonen in einem 75-Gallonen-Aquarium, um die Wirbel zu erzeugen. Jeder Wirbel wurde in einer anderen Farbe gefärbt, sodass die Forscher beobachten konnten, wie sie interagieren, wenn sie heftig kollidieren. Es dauert weniger als eine Sekunde, bis die Ringe nach der Kollision in einem Farbstoff verschwinden, aber innerhalb dieser Zeit passiert viel Physik.

Bildung von Filamenten

Wenn die Wirbel kollidieren, bilden die Kanten antisymmetrische Wellen. Die Scheitel dieser Wellen entwickeln sich zu fingerartigen Filamenten, die senkrecht zwischen den kollidierenden Kernen wachsen. Bildnachweis: Harvard SEAS

Erstens dehnen sich die Ringe nach außen, wenn sie ineinander schlagen, und die Kanten bilden antisymmetrische Wellen. Die Scheitel dieser Wellen entwickeln sich zu fingerartigen Filamenten, die senkrecht zwischen den kollidierenden Kernen wachsen.

Diese Filamente drehen sich mit ihren Nachbarn gegenläufig und erzeugen eine neue Anordnung von Miniaturwirbeln, die Millisekunden lang miteinander interagieren. Diese Wirbel bilden auch Filamente, die wiederum Wirbel bilden. Das Forscherteam beobachtete drei Generationen dieses Kaskadenzyklus, jede wie zuvor, nur kleiner – eine russische Nistpuppe der Unordnung.

“Dieses ähnliche Verhalten vom großen zum kleinen Maßstab tritt sehr schnell und geordnet auf, bevor alles in Turbulenzen zerfällt”, sagte Ryan McKeown, Doktorand bei SEAS und Erstautor des Papiers. “Dieser Kaskadeneffekt ist wirklich aufregend, da er auf einen universellen Mechanismus für die Funktionsweise dieser Interaktionen hinweisen könnte, unabhängig vom Maßstab.”

Zusätzlich zu den Experimenten entwickelte das Forscherteam numerische Simulationen, um die Dynamik des Zusammenbruchs zu verstehen und die Entwicklung des Energiespektrums der Kaskade zu quantifizieren. Turbulenzen haben ein sehr spezifisches und genau definiertes Energiespektrum. Während dieses System erheblich einfacher ist als die Turbulenzen, die ein Flugzeug erschüttern, stellten die Forscher fest, dass das Energiespektrum beim späten Zusammenbruch der Wirbel der gleichen verräterischen Skalierung voll entwickelter Turbulenzen folgt.

„Dies ist ein großartiger Hinweis darauf, dass dies zwar für kurze Zeit ein anderes System ist, aber die gleichen Turbulenzbedingungen schafft. Es ist ein Ausgangspunkt “, sagte McKeown.

Referenz: „Turbulenzerzeugung durch eine iterative Kaskade der elliptischen Instabilität“ von Ryan McKeown, Rodolfo Ostilla-Mónico, Alain Pumir, Michael P. Brenner und Shmuel M. Rubinstein, 28. Februar 2020, Fortschritte in der Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / sciadv.aaz2717

Diese Forschung wurde von Alain Pumir, Professor für Physik an der ENS de Lyon, und Michael P. Brenner, dem Glover-Professor für Angewandte Mathematik und Angewandte Physik, gemeinsam verfasst.

Es wurde von der National Science Foundation durch das Harvard Materials Research Science & Engineering Center (MRSEC) unter der Bewilligungsnummer DMR-1420570 und durch die Abteilung für Mathematische Wissenschaften unter den Bewilligungsnummern DMS-1411694 und DMS-1715477 unterstützt.

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