Теория, впервые предложенная советским математиком Андреем Колмогоровым в 1941 году, описывает, как энергия в турбулентных потоках каскадом передаётся от крупных масштабов к мелким.
Международная команда учёных успешно продемонстрировала, что скопления поднимающихся пузырьков создают турбулентность, которая ведёт себя в точности так, как предсказывает известная теория, разработанная более 80 лет назад.
Для этого исследования учёные из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), Университета Джонса Хопкинса и Дьюкского университета отслеживали отдельные пузырьки и частицы жидкости в 3D.
Их эксперименты предоставили первое прямое экспериментальное доказательство того, что так называемое масштабирование Колмогорова (математическое описание того, как энергия в жидкости передаётся от крупных вихрей к мелким) может возникать в турбулентности, вызванной пузырьками.
Это подтвердило теорию 1941 года о каскадной передаче энергии в турбулентных потоках (хаотичных, непредсказуемых движениях жидкости) от больших вихрей (вращающихся участков потока) к меньшим.
«Мы хотели получить окончательный ответ, внимательно изучив турбулентность между пузырьками и вокруг них в очень малых масштабах», — сказал Тянь Ма, доктор физических наук из Института гидродинамики HZDR и ведущий автор исследования.
Читайте: Понимание теории Тейхмюллера – Как может решится математическая загадка десятилетий
Отслеживая хаос по одному пузырьку
Турбулентность, вызванная пузырьками, долгое время оставалась одной из самых сложных проблем в классической физике. Она встречается повсюду: от газированных напитков до промышленных процессов смешивания и разрушающихся океанских волн.
Хотя теория советского математика Андрея Колмогорова, известная как масштабирование К41, общепринято описывает, как рассеивается энергия в турбулентных потоках, доказательство её применимости в пузырьковых системах оставалось научной проблемой.
Чтобы проверить, работает ли теория в таких потоках, команда учёных использовала передовую технологию одновременного лагранжева 3D-отслеживания (метод, позволяющий следить за траекторией каждой отдельной частицы в реальном времени), чтобы с высокой точностью зафиксировать движение обеих фаз.
Этот метод позволил учёным в реальном времени наблюдать за пузырьками и крошечными частицами-трассерами в окружающей их воде. Для этого команда построила вертикальную колонну с водой диаметром 11,5 см.
Они впускали рои пузырьков снизу и использовали четыре синхронизированные высокоскоростные камеры для съёмки происходящего с исключительной детализацией — 2500 кадров в секунду.
Чтобы воспроизвести реальные пузырьковые потоки, исследователи варьировали размер пузырьков и количество газа в четырёх различных экспериментах. Пузырьки размером от 3 до 5 мм колебались при подъёме, создавая сильные спутные струи.
В двух из четырёх случаев с умеренным размером и плотностью пузырьков турбулентность в потоке на малых масштабах — для вихрей меньше размера самих пузырьков — точно соответствовала предсказаниям Колмогорова.
По словам команды исследователей, это первый раз, когда такое масштабирование было экспериментально подтверждено в среде скоплений пузырьков. «Теория Колмогорова элегантна», — отметил Эндрю Брэгг, доктор наук, исследователь из Дьюкского университета и соавтор исследования.
Анализ поведения пузырьков
Брэгг объяснил, что теория описывает, как энергия каскадом передаётся от больших вихрей к меньшим, пока не рассеется, формируя флуктуации турбулентного движения жидкости.
«Обнаружить, что эта теория так хорошо описывает и турбулентность, вызванную пузырьками, — это одновременно удивительно и захватывающе», — продолжил он в пресс-релизе.
Команда также предложила новую формулу для оценки потерь энергии в этих потоках, используя в качестве переменных только размер и плотность пузырьков. Предсказания точно совпали с экспериментальными результатами, что указывает на возможность создания более простой модели пузырьковой турбулентности.
Они обнаружили, что турбулентный поток за пределами непосредственных спутных струй пузырьков следовал масштабированию Колмогорова. Это происходит потому, что спутные струи настолько сильно возмущены, что нарушают обычную структуру потока, что и объясняет, почему предыдущие исследования могли упускать эту связь.
Хотя существуют ограничения, в частности, более крупные пузырьки имеют тенденцию разрушаться, эти выводы знаменуют собой важный шаг вперёд в понимании того, как ведёт себя турбулентность в многофазных системах (системах, состоящих из нескольких веществ в разных состояниях, например, газ-жидкость).
Хендрик Хессенкемпер, доктор наук, соавтор исследования, руководивший экспериментами, объяснил, что природа не позволяет пузырькам создавать идеальную колмогоровскую турбулентность. «Но мы знаем, что при правильных условиях она приближается к идеалу».
Полученные результаты разрешают давний научный спор и могут помочь усовершенствовать промышленные системы, как химические реакторы и очистные сооружения.
«Чем лучше мы понимаем фундаментальные законы турбулентности в пузырьковых потоках, тем эффективнее сможем применять их в реальных задачах, — заключил Ма. — И просто поразительно, что теория, которой более 80 лет, продолжает работать даже в такой "пузырьковой" среде».
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU