Elegantna teorija stara skoro sto godina predviđa haos koji stvaraju mehurići

Istraživači iz Centra Helmholc u Drezden-Rosendorfu (HZDR), Univerziteta Džons Hopkins i Univerziteta Djuk otkrili su da teorija stara sto godina o turbulenciji u fluidima takođe važi za problem pun mehurića: kako izdižući mehurići komešaju vodu oko sebe.

Eksperimenti koji su pratili individualne mehuriće i fluidne čestice u 3D daju prve direktne eksperimentalne dokaze da takozvano Kolmogorovljevo skaliranje može nastupiti u turbulenciji izazvanoj mehurićima.

Preporučujemo

Turbulencija izazvana mehurićima dešava se na mnogim mestima: od gaziranih pića preko industrijskih procesa mešanja do razbijanja okeanskih talasa. Kad se dovoljno mehurića izdiže kroz fluid, njihova strujanja komešaju okolnu tečnost u složeno, turbulentno kretanje. Razumevanje pravila iza ovog haosa bitno je za unapređenje industrijskih šema, klimatskih modela itd.

„Želeli smo da dođemo do dokaza posmatrajući turbulenciju između i oko mehurića u veoma malim razmerama“, kažu istraživači. Radi toga su koristili napredno 3D simultano Lagranžovo praćenje mehurića i sićušnih obeležavajućih čestica u okolnoj vodi sa visokom preciznošću i u realnom vremenu.

Eksperiment je uključivao stub vode širok 11,5 centimetara u koji su kontrolisana mnoštva mehurića ubačena odozdo. Četiri kamere snimale su šta se dešava brzinom od 2.500 kadrova u sekundi.

Mehurići prečnika 3-5 milimetara su bili dovoljno veliki da se mrdaju tokom izdizanja, stvarajući jaka turbulentna strujanja. U slučaju mehurića sa srednjom veličinom i gustinom, turbulencija u toku je tesno pratila Kolmogorovljeva predviđanja u malim razmerama, tj. za vrtloge manje od veličine mehurića. Ovo je prvi put da je takvo skaliranje potvrđeno eksperimentalno usred mnoštva mehurića.

Dekodiranje turbulencije: Energija stepenasto opada od velike ka maloj

„Kolmogorovljeva teorija je elegantna. Predviđa kako energija koja opada od velikih turbulentnih vrtloga ka sve manjim i manjim – dok se na kraju ne raspe putem viskoznih efekata – kontroliše fluktuacije turbulentnog fluidnog kretanja“, kažu istraživači. „Nalaz da ova teorija takođe dobro opisuje turbulenciju izazvanu mehurićima je iznenađujuće i uzbudljivo“.

Takođe je razvijena nova matematička formula za procenu stope kojom turbulencija gubi energiju usled viskoznih efekata – poznate kao stopa disipacije energije. Formula – koja zavisi samo od dva parametra povezana sa mehurićima, veličine i gustine – slagala se sa eksperimentalnim podacima izuzetno dobro.

Zanimljivo, otkriveno je da je Kolmogorovljevo skaliranje snažnije u oblastima van direktnih strujanja mehurića. U tim strujanjima, fluid je tako mnogo poremećen da je klasična turbulentna energetska kaskada prevladana.

Jedan bitan uvid je da bi mehurići trebalo da budu značajno veći da bi se klasični Kolmogorovljev „inercioni interval“ – gde njegovi zakoni skaliranja najbolje funkcionišu – jasno pojavio u turbulenciji izazvanoj mehurićima. Međutim, postoji problem: u stvarnosti bi se tako veliki mehurići razbili zbog sopstvene nestabilnosti.

To znači da postoji funamentalna granica koliko dobro se Kolmogorovljeva teorija može primeniti na tokove mehurića. Priroda nas sprečava da postignemo savršenu Kolmogorovljevu turbulenciju sa mehurićima, kažu istraživači. Međutim, sad znamo da je u odgovarajućim uslovima blizu.

Ne samo da nalazi razrešavaju naučnu debatu, već bi takođe mogli pomoći inženjerima da bolje dizajniraju sisteme na bazi mehurića, od hemijskih reaktora do tretmana otpadnih voda. Što se fizičara tiče, dodaje se još jedan sistem – tokovi mehurića – sve većem spisku haotičnih fenomena kod kojih se Kolmogorovljeva teorija pokazuje kao iznenađujuće jaka.

Istraživači ističu da je ova studija samo početak. Budući rad bi mogao istraživati kako se turbulencija ponaša sa još složenijim oblicima mehurića, kombinacijama mehurića ili pod drugačijim gravitacionim ili fluidnim uslovima.

Što bolje razumemo fundamentalna pravila turbulencije u tokovima mehurića, bolje ćemo ih moći kontrolisati u primenama u stvarnom svetu, kažu istraživači. I prilično je zadivljujuće što teorija stara više od 80 godina ostaje jaka u sredini punoj mehurića.

(Telegraf Nauka/Phys.org)