Water dat uit een gewone kraan komt, vertelt een ingewikkeld verhaal over zijn reis door een pijp. Bij hoge snelheden, de stromende stroom van de kraan is turbulent:chaotisch, wanordelijk - zoals het neerstorten van oceaangolven.

Vergeleken met ordelijke laminaire stromen, zoals de constante stroom van de kraan bij lage snelheden, wetenschappers weten weinig over turbulentie. Nog minder is bekend over hoe laminaire stromingen turbulent worden. Een mix van ordelijke en wanordelijke stromen, overgangsstromen treden op wanneer vloeistoffen met tussenliggende snelheden bewegen.

Nutsvoorzieningen, Dr. Rory Cerbus, Dr. Chien-chia Liu, Dr. Gustavo Gioia, en Dr. Pinaki Chakraborty, onderzoekers van de Fluid Mechanics Unit en de Continuum Physics Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), hebben geput uit een decennia-oude conceptuele theorie van turbulentie om een ​​nieuwe benadering te ontwikkelen voor het bestuderen van overgangsstromen. De bevindingen van de wetenschappers, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , kan helpen om een ​​meer uitgebreide, conceptueel begrip van overgangs- en turbulente stromingen, met praktische toepassingen in de techniek.

"Turbulentie wordt vaak aangeprezen als het laatste onopgeloste probleem in de klassieke natuurkunde - het heeft een zekere mystiek, "zei Cerbus. "En toch, onder ideale omstandigheden, we hebben een conceptuele theorie die helpt bij het verklaren van turbulente stromingen. In ons onderzoek, we proberen te begrijpen of deze conceptuele theorie ook licht kan werpen op overgangsstromen."

Orde vinden in wanorde

Wetenschappers zijn al lang gefascineerd door turbulente stromingen. In de vijftiende eeuw, Leonardo da Vinci illustreerde turbulente stromingen als verzamelingen van kolkende wervelingen, of cirkelvormige stromen, van verschillende afmetingen.

Eeuwen later, in 1941, wiskundige Andrey Kolmogorov ontwikkelde een conceptuele theorie die de orde onthulde die ten grondslag ligt aan de energie van schijnbaar ongeordende wervelingen.

Zoals afgebeeld in DaVinci's schets, een stroom die zich in een plas water stort, vormt aanvankelijk een grote, wervelende werveling, die snel onstabiel wordt en uiteenvalt in steeds kleinere wervelingen. Energie wordt overgedragen van de grote naar steeds kleinere wervels, totdat de kleinste wervelingen de energie via de viscositeit van het water afvoeren.

Door deze beelden vast te leggen in de taal van de wiskunde, De theorie van Kolmogorov voorspelt het energiespectrum, een functie die beschrijft hoe de kinetische energie - de energie uit beweging - wordt verdeeld over wervelingen van verschillende groottes.

belangrijk, de theorie zegt dat de energie van de kleine draaikolken universeel is, wat betekent dat hoewel turbulente stromingen er anders uit kunnen zien, de kleinste wervelingen in alle turbulente stromingen hebben hetzelfde energiespectrum.

"Dat zulke eenvoudige concepten op elegante wijze een schijnbaar hardnekkig probleem kunnen ophelderen, Ik vind het echt buitengewoon, ' zei Chakraborty.

Maar er is een vangst. Er wordt algemeen aangenomen dat de theorie van Kolmogorov alleen van toepassing is op een kleine reeks geïdealiseerde stromen, en niet de stromen van het dagelijks leven, inclusief de overgangsstromen.

Om deze overgangsstromen te bestuderen, Cerbus en zijn medewerkers voerden experimenten uit met water dat door een 20 meter lange, Glazen cilindrische buis met een diameter van 2,5 centimeter. De onderzoekers voegden kleine, holle deeltjes met ongeveer dezelfde dichtheid als water, zodat ze de stroom kunnen visualiseren. Ze gebruikten een techniek genaamd laser Doppler-snelheidsmeting om de snelheden van de wervelingen in de overgangspijpstromen te meten. Met deze gemeten snelheden, ze berekenden het energiespectrum.

Verrassend genoeg, vonden de onderzoekers dat, ondanks dat het lijkt te onderscheiden van turbulente stromingen, het energiespectrum dat overeenkomt met de kleine wervelingen in de overgangsstromen kwam overeen met het universele energiespectrum uit de theorie van Kolmogorov.

Naast het verschaffen van een nieuw conceptueel begrip van overgangsstromen, deze bevinding heeft toepassingen in engineering. In de laatste twee decennia, Het onderzoek van Gioia en Chakraborty heeft aangetoond dat energiespectra kunnen helpen bij het voorspellen van wrijving tussen de stroming en de pijp - een grote zorg voor ingenieurs. Hoe meer wrijving in een leiding, hoe moeilijker het is om vloeistoffen zoals olie te pompen en te transporteren.

"Onze studie combineert esoterische wiskundige ideeën met factoren waar ingenieurs om geven, "zei Chakraborty. "En, we hebben ontdekt dat de theorieën van Kolmogorov een bredere toepasbaarheid hebben dan iedereen dacht. Dit is een opwindend nieuw inzicht in turbulentie en in de overgang naar turbulentie."