Turbulentie is overal - in de beweging van de wind, de oceaangolven en zelfs magnetische velden in de ruimte. Het kan ook worden gezien in meer voorbijgaande verschijnselen, als rook die uit een schoorsteen komt, of een hoest.

Het begrijpen van dit laatste type turbulentie - puff turbulentie genoemd - is niet alleen belangrijk voor de vooruitgang van de fundamentele wetenschap, maar ook voor praktische gezondheids- en milieumaatregelen, zoals berekenen hoe ver hoestdruppels zullen reizen, of hoe verontreinigende stoffen die vrijkomen uit een schoorsteen of sigaret zich in de omgeving kunnen verspreiden. Maar het maken van een compleet model van hoe turbulente rookwolken van gassen en vloeistoffen zich gedragen, is tot nu toe ongrijpbaar gebleken.

"De aard van turbulentie is chaotisch, dus het is moeilijk te voorspellen, " zei professor Marco Edoardo Rosti, die de Complex Fluids and Flows Unit leidt aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Puff turbulentie, die optreedt wanneer de uitstoot van een gas of vloeistof in het milieu wordt verstoord, in plaats van continu, heeft meer gecompliceerde kenmerken, dus het is nog uitdagender om te studeren. Maar het is van vitaal belang, vooral nu om de overdracht van virussen zoals SARS-CoV-2 via de lucht te begrijpen."

Tot nu, de meest recente theorie werd ontwikkeld in de jaren 70, en gefocust op de dynamiek van een trekje alleen op de schaal van het trekje zelf, zoals hoe snel het bewoog en hoe wijd het zich verspreidde.

Het nieuwe model, ontwikkeld in een samenwerking tussen Prof. Rosti van OIST, Japan en Prof. Andrea Mazzino van de Universiteit van Genova in Italië, bouwt voort op deze theorie om op te nemen hoe minieme fluctuaties binnen de trek zich gedragen, en hoe zowel grootschalige als kleinschalige dynamiek wordt beïnvloed door veranderingen in temperatuur en vochtigheid. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 25 augustus 2021.

interessant, ontdekten de wetenschappers dat bij lagere temperaturen (15°C of lager), hun model week af van het klassieke model voor turbulentie.

In het klassieke model is turbulentie regeert opperste - bepalen hoe alle kleine wervelingen en wervelingen in de stroom zich gedragen. Maar zodra de temperatuur daalde, drijfvermogen begon een grotere impact te hebben.

"Het effect van het drijfvermogen was aanvankelijk erg onverwacht. Het is een compleet nieuwe toevoeging aan de theorie van turbulente trekjes, " zei prof. Rosti.

Drijfvermogen oefent een effect uit wanneer het gas- of vloeistofpuf veel warmer is dan de temperatuur van de directe omgeving waarin het wordt vrijgegeven. Warm gas of vloeistof is veel minder dicht dan het koude gas of vloeistof van de omgeving, en daarom stijgt de trek, waardoor het verder kan reizen.

"Drijfvermogen genereert een heel ander soort turbulentie - je ziet niet alleen veranderingen in de grootschalige beweging van de trek, maar ook veranderingen in de minieme bewegingen binnen de trek, " zei prof. Rosti.

De wetenschappers gebruikten een krachtige supercomputer, in staat om het gedrag van de trek op grote en kleine schaal op te lossen, om simulaties van turbulente trekjes uit te voeren, die hun nieuwe theorie bevestigden.

Met het nieuwe model kunnen wetenschappers nu beter de beweging voorspellen van druppeltjes in de lucht die vrijkomen wanneer iemand hoest of ongemaskerd spreekt.

Terwijl grotere druppels snel op de grond vallen, met een afstand van ongeveer een meter, kleinere druppeltjes kunnen veel langer in de lucht blijven en verder reizen.

"Hoe snel de druppeltjes verdampen - en dus hoe klein ze zijn - hangt af van turbulentie, die op zijn beurt wordt beïnvloed door de vochtigheid en temperatuur van de omgeving, " legde prof. Rosti uit. "We kunnen nu beginnen met het nemen van deze verschillen in omgevingsomstandigheden, en hoe ze turbulentie beïnvloeden, waarmee rekening wordt gehouden bij het bestuderen van virale overdracht via de lucht."

Volgende, de onderzoekers zijn van plan te bestuderen hoe trekjes zich gedragen wanneer ze gemaakt zijn van meer gecompliceerde niet-Newtoniaanse vloeistoffen, waar hoe gemakkelijk de vloeistofstroom kan veranderen, afhankelijk van de krachten waaronder deze zich bevindt.

"Voor Covid, dit kan handig zijn voor het bestuderen van niezen, waar niet-Newtonse vloeistoffen zoals speeksel en slijm krachtig worden verdreven, " zei dr. Rosti.