Планетарные потоки, такие как атмосфера Земли или ее внешнее ядро, довольно трудно изучаются не только из-за их большой доли, но и из-за их сложности. На самом деле на них влияет множество факторов: вращение планеты, разница температур между верхней и нижней поверхностями, сферическая геометрия и часто многие другие факторы, такие как магнитные поля или их «плоскостность».

Маттео Мадония, исследователь исследовательской группы Fluid and Flows отдела прикладной физики, решил изучить упрощенную модель планетарного потока, учитывающую только высокое вращение и разницу температур. Однако даже это огромное сокращение приводит к системе, которую невозможно полностью понять.

Хаос

Потоки, на которые влияет быстрое вращение, имеют свойство организовываться в хорошо выровненные по вертикали структуры, в то время как жидкости, зажатые между горячим дном и холодным верхом, ведут себя очень хаотично. Если смешать эти два эффекта, получится множество различных состояний потока, которые ведут себя по-разному в зависимости от баланса между двумя силами.

Кроме того, для изучения течений размером с планету приходится достигать очень больших вращательных сил, что очень сложно сделать при численном моделировании течения и возможно только с очень высокими контейнерами.

Вот почему Madonia разработала TROCONVEX, очень высокий вращающийся цилиндр, содержащий воду, которая нагревается снизу и охлаждается сверху. Используя эту установку высотой до 4 метров, он мог анализировать недоступные ранее конфигурации потока.

Два подхода

Фактически, смешивание эффектов вращения и разницы температур создает множество различных состояний потока, которые необходимо различать и описывать. Исследователь сделал это, используя два разных подхода: первый включал использование датчиков температуры, а второй — измерение скорости.

С помощью датчиков температуры он смог проанализировать разницу в теплопередаче между верхом и низом для каждого состояния, а также то, как изменяется температура на разных высотах цилиндра.

Для этого он использовал специальную конфигурацию, которая позволила ему термически изолировать цилиндр, чтобы избежать утечек тепла с боков. С помощью этих измерений он смог идентифицировать новое состояние, никогда ранее не наблюдавшееся: так называемую турбулентность под влиянием вращения (RIT).

Камеры

Измерения скорости проводились в прозрачной конфигурации, которая была специально разработана для того, чтобы две камеры могли смотреть внутрь цилиндра и следить за движением некоторых частиц, которые мы вводили в жидкость. Две камеры могли отслеживать движение потока и давать информацию о скорости в трех специальных направлениях.

Благодаря этим измерениям Мадония смог лучше охарактеризовать различные состояния потока, включая новый RIT, который представляет собой интересную особенность: структуру, состоящую из четырех вихрей, которые заполняют секцию цилиндра.

Дальнейший анализ измерений скорости не смог точно установить, порождена ли эта структура наличием боковых стенок или самоорганизацией потока, характерной для вращающихся течений.