Возникновение самоподобия внешнего слоя в турбулентных пограничных слоях

Ученые из Института аэродинамики и газовой динамики (IAG) Штутгартского университета создали новый набор данных, который улучшит разработку моделей турбулентности. С помощью суперкомпьютера Hawk в Центре высокопроизводительных вычислений Штутгарта (HLRS) исследователи из лаборатории доктора Кристофа Венцеля провели масштабное прямое численное моделирование пространственно эволюционирующего турбулентного пограничного слоя. Моделирование, выполненное с использованием более 100 миллионов часов работы процессора Hawk, позволяет фиксировать начало канонического, полностью развитого турбулентного состояния в одной вычислительной области. Исследование выявило точку перегиба, в которой внешняя область турбулентного пограничного слоя начинает сохранять самоподобную структуру по мере приближения к высоким числам Рейнольдса. Результаты представлены в новой статье, опубликованной в журнале Journal of Fluid Mechanics.

Влияние дипольных вихрей на распространение звука в северо-восточной части Южно-Китайского моря

Мезомасштабные вихри — это большие, закрученные океанские течения, диаметр которых составляет километры. Эти вихри не являются постоянными, по сравнению с океанским Гольфстримом, но могут длиться порядка недель или месяцев и оказывают большое влияние на климат, циркуляцию и смесь тепла, соли и питательных веществ в океане. Учитывая их временный характер, мезомасштабные вихри также могут влиять на то, как звуковые волны перемещаются или распространяются, в зависимости от их размера, скорости, направления течения и местоположения. Понимание этих эффектов имеет решающее значение для точного обнаружения подводных целей и дальней связи. Северо-восточная часть Южно-Китайского моря имеет высокую вероятность развития антициклонических вихрей (АВ), которые вращаются по часовой стрелке из-за местных течений и ветрового напряжения. Когда АЭ развивается в этом регионе, он часто сопровождается циклоническим вихрем (ЦВ), который вращается против часовой стрелки, образуя дипольные вихри. Учёные из Китайской академии наук и Шаньдунского университета науки и технологий в Циндао, Китай, изучила три набора дипольных вихрей в Южно-Китайском море, чтобы лучше охарактеризовать их влияние на звуковые волны. Работа опубликована в журнале Ocean-Land-Atmosphere Research.

Динамика потока жидкости на (и вне) наклонных волокнах

Конструкция сеток, используемых для сбора чистой воды из тумана или росы, где ее количество ограничено, основана на понимании того, как вода конденсируется на волокнах и попадает в сборные резервуары. Атефе Пур Карими, аспирантка Института тепло- и массообмена Ахенского университета (Германия), а также ее руководители и коллеги подробно проанализировали динамику этого типа потока и опубликовали свои выводы в разделе "Специальные темы" Европейского физического журнала.

Колебания давления жидкостей при кратковременном ускорении

Исследовательская группа из Японии разработала унифицированную модель для масштабирования развития переходного давления в одномерном потоке. Это достижение даёт лучшее понимание того, как поля давления формируются в замкнутой системе жидкости для различных ситуаций ускорения, что может быть применимо к проблемам удара, связанным с биомеханикой, таким как травмы человеческого мозга, вызванные физическим контактом. Исследование опубликовано в журнале Journal of Fluid Mechanics.

На МКС провели эксперименты по исследованию явлений переноса в условиях микрогравитации

В статье, опубликованной в журнале Gravitational and Space Research, представлены данные, полученные в результате спонсируемых Национальной лабораторией Международной космической станции (МКС) исследований транспортных явлений, фундаментальных физических процессов, включающих импульс, энергию и массоперенос. В публикации подробно описаны несколько ключевых экспериментов, таких как исследование сферического холодного диффузионного пламени и проекты по изучению динамики жидкости в отсутствие плавучести.

Эксперимент с немонотонной S-образной реологией

Исследователи Лоран Талон и Доминик Сален из Университета Париж-Сакли, Париж, Франция, теперь показали, что при определенных обстоятельствах суспензии кукурузного крахмала могут отображать полосатый рисунок с чередующимися областями высокой и низкой вязкости. Эта работа была опубликована в Европейском физическом журнале E. Тэлон и Салин решили проверить правдоподобность моделируемой реологии 2014 года. Используя суспензию кукурузного крахмала в прямой цилиндрической капиллярной трубке, учёные наблюдали ожидаемую немонотонную зависимость между давлением и скоростью потока, но не совсем так, как предполагалось: скорость потока сначала увеличивалась с давлением, но затем внезапно уменьшалась.

Возникновение флуктуирующей гидродинамики в хаотических квантовых системах

Исследовательская группа под руководством профессора Моники Айдельсбургер и профессора Иммануэля Блоха с физического факультета LMU исследовала вопрос, касающийся квантовых многочастичных систем, и обнаружила признаки того, что их можно описать макроскопически с помощью простых уравнений диффузии со случайным шумом. Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Physics. Вооружившись микроскопом и наблюдая динамику, была подготовлена квантовая система ультрахолодных атомов цезия в оптических решетках в неравновесном начальном состоянии, затем ей дали свободно эволюционировать. Высокое разрешение системы визуализации позволило измерять не только среднюю плотность частиц в узлах решетки, но и их флуктуации. Таким образом получилось измерить как флуктуации и корреляции плотности растут с течением времени, и сделать вывод, что FHD описывает систему как качественно, так и количественно. Исследователи считают это важным указанием на то, что хаотические квантовые системы, несмотря на их микроскопическую сложность, можно описать просто как макроскопический процесс диффузии — аналогичный броуновскому движению.

Анализ собственных колебаний усеченных конических оболочек, частично заполненных жидкостью

Ученые Лаборатории функциональных материалов Института механики сплошных сред добились значительных успехов в понимании динамики жидких структур. Их исследование, опубликованное в Международном журнале динамики механических систем, изучает вибрационное поведение конических оболочек, закладывая основу для достижений в области инженерного проектирования и безопасности. В работе классическая теория оболочек и акустические приближения используются для анализа вибрационного поведения усеченных конических оболочек, частично заполненных идеальной сжимаемой жидкостью. Динамическое поведение этих структур моделируется с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений, решаемых с использованием обобщенного метода дифференциальных квадратур и метода ортогональной прогонки Годунова. Исследование определяет, как уровни жидкости и углы конуса влияют на собственные частоты оболочек при различных граничных условиях, включая конфигурации с простой опорой, жесткой заделкой и консольные конфигурации. Численный анализ показывает, что определенные конфигурации могут достигать более высоких собственных частот, чем эквивалентные цилиндрические оболочки.

Экспериментальное исследование полей потока вблизи движущейся линии контакта жидкость-жидкость

В исследовании, опубликованном в Европейском физическом журнале Special Topics, Хариш Диксит из Индийского технологического института Хайдарабада и его коллеги изучают движение линии контакта, образующейся на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей и твердого тела. Эксперименты заполняют пробел в гидродинамике и предлагают механизм наложенных граничных условий, который ускользает от математического описания. Учёные заполнили прямоугольный резервуар двумя слоями жидкости — силиконовым маслом поверх сахарной воды — с одинаковой плотностью, но значительно разной вязкостью. Исследователи поместили предметное стекло на край резервуара, которое они могли перемещать вертикально, создавая движущуюся линию контакта. Используя технику, которая отслеживает крошечные частицы, попавшие в жидкости и освещенные лазерным светом, исследователи одновременно нанесли на карту поле потока по обе стороны границы раздела жидкость-жидкость, перемещая предметное стекло. Они обнаружили, что скорости потока быстро уменьшались вблизи линии контакта. Кроме того, граница раздела жидкости, казалось, скользила по движущемуся предметному стеклу, а не оставалась прижатой к нему, что устраняло кажущуюся «сингулярность» в моделях, которые накладывают граничные условия, препятствующие скольжению, на движущейся стенке.

Турбулентный переход в магнитно-удерживаемой плазме водорода и дейтерия

Чтобы инициировать реакцию термоядерного синтеза, дейтерий и тритий необходимо нагреть до температуры более 100 миллионов градусов Цельсия. Так образуется плазма, которая затем поддерживается сильной магнитной «клеткой». Однако при возбуждении турбулентности в плазме может произойти утечка. Таким образом, турбулентность является важной темой в исследованиях термоядерного синтеза, и ее подавление имеет важное значение для реализации термоядерной электростанции. Для подавления турбулентности необходимо понимание физического механизма ее возбуждения, и LHD (Large Helical Device — "большое спиральное устройство" для термоядерного синтеза, расположенное в Токи, Гифу, Япония) является идеальным приспособлением для решения этой задачи. Учёные успешно измерили не только амплитуду турбулентности, но также ее пространственный профиль и направление распространения с помощью прецизионной лазерной диагностики. Ещё была исследована зависимость турбулентности от массы ионов. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.