Международная команда учёных впервые доказала, что рои поднимающихся пузырьков создают турбулентность, поведение которой полностью соответствует предсказаниям теории, разработанной почти сто лет назад.
Вода, газ и четыре камеры поставили точку в давнем споре учёных.
Исследователи из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Университета Джонса Хопкинса и Университета Дьюка смогли отследить движение отдельных пузырьков и частиц жидкости в 3D и получили прямое подтверждение так называемого «масштабирования Колмогорова». Эта теория, предложенная в 1941 году советским математиком Андреем Колмогоровым, описывает, как энергия в турбулентных потоках передаётся от крупных вихрей к всё более мелким.
Чтобы проверить её применимость к пузырьковым потокам, учёные построили вертикальную колонну с водой диаметром 11,5 сантиметра, запускали с её дна рои пузырьков и фиксировали происходящее с помощью четырёх синхронизированных высокоскоростных камер, снимающих 2500 кадров в секунду. В ходе экспериментов они меняли размер пузырьков и количество газа. В случаях со средними пузырьками и умеренной плотностью роя поведение турбулентности оказалось удивительно близким к предсказаниям Колмогорова — вплоть до мельчайших масштабов, меньше самих пузырьков.
Учёные объясняют, что непосредственные «хвосты» за пузырьками нарушают структуру потока и мешают проявлению закономерностей, из-за чего раньше подтверждение теории не удавалось. Но за пределами этих зон энергия действительно распределяется так, как описал Колмогоров. Более того, команда предложила простую формулу для оценки потерь энергии, где учитываются лишь размер и плотность пузырьков, и её расчёты хорошо совпали с наблюдениями.
Результаты помогают снять давние споры в физике турбулентности и могут найти практическое применение — от улучшения химических реакторов до оптимизации очистных сооружений.
«Чем лучше мы понимаем фундаментальные законы пузырьковой турбулентности, тем эффективнее сможем использовать их в реальных системах, — отметил ведущий автор исследования Тянь Ма. — И удивительно, что теория, созданная больше 80 лет назад, прекрасно работает даже в такой бурлящей среде».
Наш материал о Колмогорове и теории хаоса:
Источник новости: https://www.securitylab.ru/news/562541.php
Отправить ответ