Американские ученые описали механизм перехода от порядка к хаосу
Два вихревых кольца жидкости для изучения механизма турбулентности столкнули исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), 29 февраля сообщает интернет-портал phys.org.
Американские ученые попытались раскрыть фундаментальные причины возникновения турбулентности при столкновении вихревых колец в жидкости. Динамика столкновения была расшифрована при помощи программного восстановления трехмерной картины процесса, снятого на камеру сверхвысокого разрешения. Численное моделирование столкновения, проведенное сотрудниками Хьюстонского университета и Лионского университета (ENS Lyon) помогло проанализировать процесс превращения упорядоченного потока жидкости в хаотический.
Для того, чтобы улучшить существующую модель турбулентности, ученые решили исследовать механику процесса постепенного затухания энергии турбулентного движения жидкости. Они попытались проследить взаимодействие элементарных одиночных вихрей и его влияние на динамику всего процесса.
Более всего их интересовали первые доли секунды возникновения хаоса. Для восстановления этих моментов использовался лазерный сканер, синхронизированный с высокоскоростной камерой, способной делать сотни тысяч снимков в секунду. В эксперименте применялись две вихревые пушки и аквариум емкостью около 340 литров. Каждый вихрь был окрашен в свой цвет.
Исследователи смогли увидеть то, как кольцевые вихри от пушек при столкновении начинают растягиваться в перпендикулярном движению направлении, а наружные кромки вихрей образуют асимметричные волны. Гребни этих волн превращаются в изгибающиеся нити, а затем в жгуты крутящихся нитей, растущих в перпендикулярной первоначальному импульсу плоскости. Процесс занимает по времени несколько миллисекунд.
Затем эти вихри образуют новые нити, а те — новые вихри и т. д. Таким образом были детектированы три сформированных, подобно «русской матрешке хаоса», поколения этого каскадного цикла затухающих вихрей. Ученые отметили не только скорость, но и высокую степень упорядоченности этого процесса, предшествующего возникновению турбулентности. По их мнению, механизм этот универсален, независимо от масштабов явления.
Результаты численного моделирования процесса показали, что турбулентность имеет очень специфический и четко определенный энергетический спектр. Этот спектр на поздней стадии турбулентности — затухания вихрей — соответствует тому, который был у первого каскада вихрей. Исследователи считают, что эта закономерность подтверждает то, что выявленный механизм возникновения турбулентности один и тот же на разных стадиях процесса.
