Аэродинамическая труба в MPI-DS позволяет создавать очень высокие степени турбулентности при высоком давлении для измерения различных потоков.
Предоставлено: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.

Перемешивание чашки кофе создает турбулентный поток с большими и очень маленькими вихрями. Вихри разных размеров влияют друг на друга, передавая энергию от большего вихря к меньшему, вплоть до самого маленького вихря, который рассеивается в жидкости за счет трения.

Эта концепция была впервые описана математиком Андреем Колмогоровым, который установил общие законы масштабирования для турбулентных течений в 1941 году. Используя эти и другие уточнения, компьютерное моделирование инженерных течений, прогнозы погоды и климатические модели до сих пор создаются на основе эмпирических данных.

«Мы обнаружили, что эти законы масштабирования применимы только к сильно идеализированным потокам», — сообщает Кристиан Кюхлер, первый автор исследования. Ранее предполагалось, что они универсальны. Еще до этого измерения в аэродинамических трубах при более низких уровнях турбулентности не могли подтвердить теоретические предсказания, но обычно объяснялись слишком низкой силой турбулентности.

«В нашем уникальном канале мы можем использовать газы под высоким давлением и, таким образом, достичь чрезвычайно высокой степени турбулентности», — говорит директор MPI-DS Эберхард Боденшатц, который разработал канал для своего исследования.

Избирательно генерируя турбулентность и используя активную сетку, разработанную в MPI-DS соавтором Грегом Бьюли из Корнельского университета, показано, что систематические отклонения от предсказаний Колмогорова возникают даже при самой сильной турбулентности. Это означает, что вихри среднего размера в реальных потоках не полностью отделены от очень больших вихрей за счет переноса энергии, как предполагалось с 1941 г. Более того, эти новые результаты универсальны и не зависят от силы турбулентности в системе. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

«Наша аэродинамическая труба позволяет проводить измерения, которые в противном случае были бы невозможны», — говорит Эберхард Боденшатц, директор MPI-DS, объясняя особенность исследовательской установки. «Мы можем лучше понять, как на самом деле ведут себя турбулентные потоки , и разработать на этой основе новые модели», — продолжает он.

Например, эти эксперименты могут способствовать лучшему пониманию турбулентности в искусственных потоках или атмосфере. Там влияние турбулентности является одним из крупнейших факторов неопределенности в современных климатических моделях и прогнозировании погоды.