Диссипация в ньютоновской жидкости (слева) и упруговязкопластической жидкости (справа). Сплошные области показаны в оттенках серого, а жидкие области показаны в цвете.

Трехмерное моделирование проливает свет на то, как энергия рассеивается в неньютоновских жидкостях (жидкостях, в которых вязкость зависит от скорости сдвига). Результат ценен в контексте прогнозирования стихийных бедствий и управления промышленным производством.

Эластовязкопластичные (EVP) жидкости, такие как грязь, бетон и лава, представляют собой тип неньютоновской жидкости, которая проявляет как твердое так и жидкое поведение в зависимости от сил, которым они подвергаются (т.е. приложенного напряжения). Их поведение при течении более сложное, чем у ньютоновских жидкостей, таких как вода и воздух, которые имеют постоянную вязкость. В недавнем исследовании исследователи выполнили моделирование турбулентных жидкостей EVP, раскрывая новые идеи о механизме передачи энергии в разных масштабах.

Вода, воздух, масло и спирт являются хорошо известными примерами жидкостей. Однако они составляют только определенное подмножество возможных типов жидкостей, а именно подмножество ньютоновских жидкостей. Как следует из названия, ньютоновские жидкости подчиняются закону вязкости Ньютона, характеризующемуся линейной зависимостью между напряжением сдвига и скоростью сдвига. Другими словами, вязкость ньютоновских жидкостей не зависит от скорости сдвига.

Напротив, неньютоновские жидкости не следуют этому классическому определению, что означает, что их вязкость изменяется в зависимости от сил, которым они подвергаются. Например, упруговязкопластические (EVP) жидкости представляют собой тип неньютоновской жидкости, которая ведет себя либо как твердое тело, либо как жидкость в зависимости от приложенного напряжения. При малых напряжениях они склонны сохранять форму и сопротивляться деформации. Напротив, при сильном напряжении они текут как жидкости. Хотя жидкости EVP менее распространены в нашей повседневной жизни, чем ньютоновские жидкости, некоторые известные примеры включают грязь, бетон и зубную пасту.

Оказывается, понимание того, как жидкости EVP ведут себя во время турбулентного потока, важно во многих промышленных условиях, где вязкость может сильно повлиять на эффективность процесса. Хотя турбулентность по своей природе непредсказуема и хаотична, характеризуя поведение потока жидкости при очень высоких скоростях потока, некоторые ее аспекты можно смоделировать и описать. В частности, теория, выдвинутая Андреем Н. Колмогоровым в 1941 году, описывает, как энергия передается от больших масштабов к малым в турбулентных ньютоновских жидкостях, предписывая степенной масштаб для энергетического спектра жидкости. Однако мало что известно о турбулентном поведении жидкостей EVP, в том числе о том, выполняется ли для них закон масштабирования Колмогорова.

На этом фоне исследовательская группа из отдела сложных жидкостей и потоков Окинавского института науки и технологий (OIST) в Японии решила подробно проанализировать проблему. Коллектив, состоящий из двух к.т.н. Студенты, г-н Мохамед Абдельгавад и г-н Янто Кэннон, а также профессор Марко Эдоардо Рости, провели трехмерное численное моделирование жидкостей EVP, демонстрирующих однородную изотропную турбулентность и сосредоточив внимание на их пластическом поведении. Их выводы были опубликованы в журнале Nature Physics .

Один из наиболее важных результатов исследования был связан с распределением энергии в турбулентной жидкости EVP. В турбулентных течениях энергия передается от больших масштабов к малым через каскад вихрей и водоворотов. Это распределение энергии по шкале может быть определено количественно с помощью энергетического спектра.

«Для ньютоновских жидкостей, таких как вода, энергетический спектр соответствует шкале Колмогорова с показателем масштабирования −5/3. Эта шкала хорошо известна и подтверждена во многих экспериментах и симуляциях», — объясняет г-н Абдельгавад. «Однако в нашем исследовании мы обнаружили, что пластические эффекты в жидкостях EVP изменяют их турбулентное поведение, приводя к новому масштабному показателю -2,3. Это предполагает другой механизм передачи энергии, в отличие от нашего классического понимания турбулентности в ньютоновских жидкостях».

Взволнованные исследователи попытались раскрыть этот новый механизм. Путем дальнейшего анализа данных моделирования они показали, что жидкости EVP на самом деле не подчиняются теории Колмогорова и вместо этого демонстрируют картину рассеяния энергии, напоминающую фрактал (неправильная геометрическая форма с нерегулярностью во всех масштабах). . В частности, диссипация энергии в турбулентных EVP-жидкостях является мультифрактальной, что означает изменение степени нерегулярности в зависимости от масштаба.

Кроме того, команда заметила, что еще одно ключевое различие между турбулентными ньютоновскими жидкостями и жидкостями EVP заключается в их «прерывистости», при этом жидкости EVP демонстрируют относительно более высокую прерывистость, свойство, которое характеризует вероятность возникновения экстремальных событий, таких как локализованные области с потоком высокой скорости или большое рассеивание энергии. Учитывая, что стихийные бедствия, такие как оползни и извержения вулканов, связаны с турбулентными жидкостями EVP, этот результат особенно ценен в контексте прогнозирования бедствий и управления ими.

Кроме того, результаты этой работы могут быть использованы для разработки и оптимизации широкого спектра промышленных процессов, включая производство полимеров, перекачку бетона, бурение буровых растворов и добычу нефти. «Наша работа будет способствовать более полному пониманию поведения турбулентных неньютоновских жидкостей в целом, что может помочь нам лучше моделировать поток высокопластичных жидкостей. Кроме того, это может иметь далеко идущие последствия для целого ряда отраслей. включая фармацевтику, пищевую промышленность и энергетику», — заключает г-н Кэннон.