Турбулентность возникает, когда поток жидкости характеризуется хаотическими физическими изменениями. Теория Колмогорова была интерпретирована как подразумевающая, что переходы от одного состояния турбулентности к другому должны происходить плавно, потому что очень сильные флуктуации, которые являются частью самого процесса, сгладят все резкие изменения.Однако теперь новый эксперимент, проведенный физиками Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, опровергает эту интерпретацию теории Колмогорова.
Их результаты появятся на этой неделе в журнале Physical Review Letters.«В нашей статье мы предлагаем экспериментальные доказательства того, что эти переходы действительно резкие», — сказал Гюнтер Алерс, профессор факультета физики UCSB. «Нас просветили эти данные, и они показали нам, что интерпретация Колмогорова неверна.
Для физика это очень важный шаг вперед».Алерс и его сотрудники, получившие докторскую степень, Пинг Вэй и Стефан Вайс изучают турбулентную конвекцию, которая играет важную роль во многих природных и промышленных процессах. Турбулентная конвекция возникает, когда содержащаяся в ней жидкость нагревается снизу и охлаждается сверху. По мере увеличения перепада температур конвективный поток становится настолько сильным, что поле скорости становится турбулентным.
Используя цилиндрическую вращающуюся систему, созданную командой Алерса, исследователи нагрели жидкость снизу, так что она расширилась и стала менее плотной, чем жидкость наверху. Гравитация Земли заставляла жидкости менять положение друг относительно друга, что, в свою очередь, создавало турбулентность. Затем ученые добавили ротацию.«Когда вы вращаетесь, вы получаете новые силы, в том числе силу Кориолиса — продукт вращения Земли, а также вращения в лаборатории — которая превращает жидкость в маленькие вихри или торнадо», — пояснил Алерс.
«Таким образом, система полна маленьких торнадо рядом с нагревательной пластиной, а также в верхней части — только там они являются холодными торнадо», — добавил Алерс. «Сначала эти торнадо не связаны между собой, потому что они относительно короткие. Но по мере того, как вы вращаете цилиндр все быстрее и быстрее, торнадо расширяются и в конечном итоге образуют колонны по всей системе. Когда это происходит, физики говорят, что симметрия системы меняется . "Следующим шагом Алерса и его команды было измерение переноса тепла — обмена тепловой энергией — который выражается числом Нуссельта. Вильгельм Нуссельт был немецким инженером в начале 1900-х годов, который измерял перенос тепла через двойные оконные стекла.
«Если вы посмотрите на число Нуссельта, у него есть эти разрывы, которые указывают на то, что перенос тепла не изменяется плавно при увеличении скорости вращения», — сказал Алерс. «Между прочим, Лев Ландау сказал нам об этом очень давно. И хотя Ландау не говорил о турбулентных системах, его аргументы можно напрямую перенести на состояние турбулентности».
Алерс имел в виду другого российского физика и лауреата Нобелевской премии, который предположил, что изменение симметрии системы должно быть резким. Она не может быть гладкой, потому что система имеет только два состояния: неупорядоченное или упорядоченное, и между ними нет ничего промежуточного.
«Проблема в том, что люди в турбулентности никогда не думали о Ландау, потому что он работал в совершенно другой сфере, и информация не передается, потому что ее слишком много», — добавил Алерс. «Но я много-много лет работал в области критических явлений и очень хорошо знаю работы Ландау. Затем я переключился на изучение турбулентности, и когда возникла эта проблема, мне стало очевидно, что происходит».
В статье исследователи используют облачные улицы — длинные ряды кучевых облаков, ориентированных параллельно направлению ветра — как повседневный пример естественной турбулентной конвекции. Эти облака с плоским дном и пушистой вершиной образуются, когда холодный воздух дует над более теплой водой, а слой более теплого воздуха (температурная инверсия) лежит поверх обоих.Поскольку сравнительно теплая вода отдает тепло и влагу холодному воздуху наверху, столбы нагретого воздуха, называемые термиками, естественным образом поднимаются через атмосферу.
Когда восходящие термики ударяются о слой теплого воздуха, они перекатываются и возвращаются обратно, создавая параллельные цилиндры вращающегося воздуха, которые действуют аналогично жидкости в цилиндрической вращающейся системе Алерса. Хотя процесс кажется гладким, последний эксперимент Алерса доказывает, что это совсем не так.