Al decenia, natuurkundigen, ingenieurs en wiskundigen zijn er niet in geslaagd een opmerkelijk fenomeen in de vloeistofmechanica te verklaren:de natuurlijke neiging van turbulentie in vloeistoffen om van een wanordelijke chaos naar perfect parallelle patronen van schuine turbulente banden te gaan. Deze overgang van een toestand van chaotische turbulentie naar een zeer gestructureerd patroon werd door veel wetenschappers waargenomen, maar nooit begrepen.

Bij EPFL's Emerging Complexity in Physical Systems Laboratory, Tobias Schneider en zijn team hebben het mechanisme geïdentificeerd dat dit fenomeen verklaart. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Van chaos naar orde

De vergelijkingen die worden gebruikt om de grote verscheidenheid aan verschijnselen die optreden in vloeistofstromen te beschrijven, zijn algemeen bekend. Deze vergelijkingen leggen de fundamentele natuurwetten vast die de vloeistofdynamica beheersen, een vak dat wordt onderwezen aan alle studenten natuurkunde en techniek vanaf het bachelorniveau.

Maar als turbulentie in het spel komt, de oplossingen van de vergelijkingen worden niet-lineair, complex en chaotisch. Dit maakt het onmogelijk, bijvoorbeeld, om het weer over een langere tijdshorizon te voorspellen. Toch heeft turbulentie een verrassende neiging om van chaos naar een sterk gestructureerd patroon van turbulente en laminaire banden te gaan. Dit is een opmerkelijk fenomeen, toch bleef het onderliggende mechanisme tot nu toe verborgen in de vergelijkingen.

Dit gebeurt er:wanneer een vloeistof tussen twee evenwijdige platen wordt geplaatst, elk in een tegengestelde richting bewegend, turbulentie ontstaat. Aanvankelijk, de turbulentie is chaotisch, dan organiseert het zichzelf om regelmatige schuine banden te vormen, gescheiden door zones van rust (of laminaire stromen). Geen duidelijk mechanisme selecteert de schuine oriëntatie van de banden of bepaalt de golflengte van het periodieke patroon.

Verborgen in eenvoudige vergelijkingen

Schneider en zijn team hebben het mysterie opgelost. "Zoals de natuurkundige Richard Feynman voorspelde, de oplossing was niet te vinden in nieuwe vergelijkingen, maar eerder binnen de vergelijking die al voor ons beschikbaar was, " legt Schneider uit. "Tot nu toe, onderzoekers hadden niet krachtig genoeg wiskundige hulpmiddelen om dit te verifiëren."

De onderzoekers combineerden zo'n tool, bekend als dynamische systeemtheorie, met bestaande theorieën over patroonvorming in vloeistoffen en geavanceerde numerieke simulaties. Ze berekenden specifieke evenwichtsoplossingen voor elke stap van het proces, waardoor ze de overgang van de chaotische naar de gestructureerde toestand kunnen verklaren.

"We kunnen nu het initiële instabiliteitsmechanisme beschrijven dat het schuine patroon creëert, " legt Florian Reetz uit, hoofdauteur van de studie. "Zo hebben we een van de meest fundamentele problemen in ons vakgebied opgelost. De methoden die we hebben ontwikkeld, zullen de chaotische dynamiek van turbulent-laminaire patronen in veel stromingsproblemen helpen verduidelijken. Op een dag kunnen ze ons misschien in staat stellen stromingen beter te beheersen."

Een belangrijk fenomeen

In de vloeistofmechanica, streeppatroonvorming is belangrijk omdat het laat zien hoe turbulente en laminaire stromingen constant met elkaar concurreren om de uiteindelijke toestand van de vloeistof te bepalen, d.w.z., turbulent of laminair. Deze concurrentie ontstaat wanneer turbulentie ontstaat, zoals wanneer lucht over een auto stroomt. De turbulentie begint in een klein gebied op het dak van de auto, maar dan verspreidt het zich - omdat turbulentie in dit specifieke geval sterker is dan laminaire stroming. De eindtoestand is daarom turbulent.

Wanneer het streeppatroon zich vormt, het betekent dat de laminaire en turbulente stromingen even sterk zijn. Echter, dit is heel moeilijk waar te nemen in de natuur, buiten de gecontroleerde omstandigheden van een laboratorium. Dit feit wijst op het belang van het succes van de EPFL-onderzoekers bij het verklaren van een fundamentele eigenschap van turbulentie. Hun bevindingen verklaren niet alleen een fenomeen dat in een laboratorium kan worden waargenomen, maar ze zouden kunnen helpen om stromingsgerelateerde fenomenen die ook in de natuur voorkomen, beter te begrijpen en te beheersen.