Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science, de Universiteit van Rome, CNRS en de Universiteit van Helsinki hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar het verschil tussen 3-D anisotrope turbulentie in klassieke vloeistoffen en die in supervloeistoffen, zoals helium. Hun bevindingen, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ), worden ondersteund door zowel theorie als experimenteel bewijs.

"Het huidige onderzoek is geïnitieerd door onze groep aan het Weizmann Institute, Israël, samengesteld door Victor L'vov, Itamar Procaccia en Anna Pomyalov, die probeerden nieuwe experimentele waarnemingen te begrijpen door de groepen van Prof. Wei Guo van de Florida State University, Tallahassee en prof. Ladislav Skrbek van de Charles University, in Praag, "Itamar Procaccia, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Ons hoofddoel was om een ​​schijnbaar verrassend verschil te begrijpen in hoe energie zich bij lage temperaturen verdeelt tussen turbulente wervelingen van verschillende schalen in klassieke viskeuze vloeistoffen zoals lucht en water en supervloeistoffen zoals helium."

Alle turbulente stromingen, zowel in de natuur als in laboratoriumomgevingen, zijn anisotroop op energie-injectieschalen, wat betekent dat energie zich anders verdeelt tussen hun turbulente wervelingen. Eerdere studies hebben aangetoond dat het model van homogene en isotrope turbulentie (HIT) bijzonder effectief is voor het voorspellen van de statistische eigenschappen van turbulentie op schalen die veel kleiner zijn dan roerschalen, maar groter dan dissipatieve schalen.

In klassieke vloeistoffen, 3-D anisotrope turbulentie neigt naar isotropie en homogeniteit met afnemende schalen, vandaar dat het uiteindelijk mogelijk is om het HIT-model op hen toe te passen. In hun studie hebben echter, Procaccia en zijn collega's hebben aangetoond dat het tegenovergestelde waar is voor superfluïde ⁴ de turbulentie in 3D-tegenstroomkanaalgeometrie, die minder isotroop wordt naarmate de schalen afnemen, tot het bijna tweedimensionaal wordt.

De door hen gehanteerde aanpak betreft een zogenaamd 'two-fluid model' van superfluïde helium. Dit model is gebaseerd op het vroege werk van Laszlo Tisza en Lev Landau in 1940-1941, die later werd verbeterd door H. Hall, WF Vinen, IM Khalatnikov, en I.L Bekarevich.

"Het model beschrijft superfluïde helium als een interpenetrerend mengsel van twee vloeistoffen:een superfluïde die zonder wrijving beweegt, en een normale viskeuze vloeistof die gekoppeld zijn door een onderlinge wrijving, ’ legde Procaccia uit.

Eerdere studies uitgevoerd door twee teams van onderzoekers in Tallahasse, Florida en Praag onderzochten supervloeibaar helium onder een temperatuurgradiënt, het creëren van wat wordt aangeduid als 'tegenstroom'. Zoals de naam al doet vermoeden, in tegenstroom verschillende componenten van een vloeistofstroom in tegengestelde richtingen; de superfluïde stroomt van de koude naar de warme kant en de normale vloeistof van de warme naar de koude kant.

"Ons model rationaliseerde enkele van deze experimentele waarnemingen en voorspelde nieuwe kenmerken die later experimenteel werden bevestigd, Procaccia legde uit. "Het belangrijkste resultaat van onze studie is dat in tegenstelling tot klassieke turbulente stromingen die op kleinere schaal steeds meer isotroop worden, de stroming die we hebben onderzocht, wordt steeds minder isotroop naarmate de schalen kleiner worden."

Voordat ze hun studie uitvoerden, Procaccia en zijn collega's hadden theoretisch voorspeld dat hun experimenten zouden leiden tot de waarnemingen die ze vervolgens verzamelden. Echter, de sterkte van het effect dat ze waarnamen, werd pas duidelijk nadat ze directe numerieke simulaties op een EU-supercomputer hadden uitgevoerd, in samenwerking met een team van onderzoekers onder leiding van Luca Biferale. Volgens Procaccia, hun theoretische en numerieke bevindingen hebben andere experimentele groepen al gemotiveerd om verder onderzoek te doen naar tegenstroomturbulentie.

"Bij het Weizmann Instituut, we zijn nu onze theorie verder aan het ontwikkelen, aandacht hebben voor de nieuwe experimentele technieken die uitgebreide studies van turbulentie in superfluïd helium mogelijk maken, " zei Procaccia. "Onze groep blijft deelnemen aan de analyse van nieuwe experimentele gegevens, in de hoop bij te dragen aan een dieper begrip van superfluïde stromen van laboratoriumexperimenten tot kosmologische realisatie, zoals neutronensterren."

© 2019 Wetenschap X Netwerk