Есть конспект?
Пришлите нам!

Ученые адаптируют физические приборы высоких энергий для измерения турбулентности


Ученые адаптируют физические приборы высоких энергий для измерения турбулентности

Вы когда-либо задавались вопросом, почему не видно комаров в ветреный день? Ответ на этот вопрос важно знать не только туристам, но также и тем ученым, которые пытаются объяснить процессы турбулентности в газах и жидкостях, с применением во многих областях от метеопрогнозов до смешивания химических веществ в производстве.

Результаты данного исследования опубликованы в февральском выпуске журнала “Природа” в статье "Ускорение флюидных частиц в полностью разработанной турбулентности" коллективом авторов - Артуром Ла-Порту, Грэгом Вота и Алисой Кравфорд, Иаковом Александером и Эбергардом Боденшатцом.

Имеются стандартные математические модели, которые описывают, как частица будет двигаться в турбулентном потоке, но до сих пор никто не смог проверить это на практике при высоких скоростях движения потому, что частицы иногда двигаются слишком быстро, чтобы их можно было измерить. Теперь, ученые из Корнельского Университета, используя методы, разработанные для наблюдения за субатомными частицами, измерили турбулентные потоки в жидкостях в широком диапазоне скоростей. В результате они пришли к удивительным открытиям: частицы часто получают дополнительный толчок, который ускоряет их относительно общей скорости движения жидкости.

Рассмотрим простого комара (москита). По сравнению с атмосферой, он представляет собой крошечную материальную точку. При скорости ветра 10 миль в час москит испытывает ускорение приблизительно в 15 раз больше сил гравитации каждые 15 секунд. Поэтому неудивительно, что он садится и ждет более спокойную погоду.

Имеются компьютерные модели, которые показывают подобный процесс ускорения частиц при низких Числах Рейнольдса, но никто еще не смог проверить это экспериментально. Число Рейнольдса выражает отношения между плотностью и вязкостью жидкости и скоростью и линейностью ее движения. Грубо говоря, это мера того, как быстро жидкость перемешивается. Исследователи сделали измерения в цилиндрическом баке, размером приблизительно 20 дюймов (48 см) в диаметре и 24 дюйма (60 см) высоты, который вмещает приблизительно 25 галлонов (100 л) воды. Жидкость в нем размешивалась двумя пропеллерами, вращающимися в противоположных направлениях. Измерения были сделаны с пропеллерами, вращающимися с различными скоростями - от одного вращения за 7 секунд до семи вращений за 1 секунду. В воду добавили шарики полистирола приблизительно 1/20 мм в диаметре, которые светились под воздействием аргонового лазера. Их движение фиксировалось силиконовыми полосковыми детекторами – что-то похожее на заряженное сдвоенное устройство (ССD) видеосенсора в видеокамере. Эти детекторы были размещены в двух позициях, чтобы измерить движение по двум параметрам.

Детекторы, разработанные для наблюдения рассеяния субатомных частиц, произведены в Корнельском Электронном Центре (CESR). Они эффективно принимают кинофильмы с частотой кадров до 70000 в секунду.

Полученные измерения показали, что некоторые частицы получают ускорения, которые в 1500 раз превышают ускорение свободного падения, или приблизительно в 40 раз превышают прогнозируемые результаты. График распределения ускорений наглядно показывает очень длинные "хвосты", указывая, что существует много случаев сильного ускорения, также как и много случаев, когда частицы почти останавливаются. Более типичным был бы график, в котором почти все замеры кластеризуются (группируются) близко к центральному значению как в распределении Гаусса.

Математические модели, используемые для описания процессов смешивания жидкостей, нуждаются в корректировке. Полученные новые результаты исследований представляют интерес для всех, кто изучает процессы смешивания веществ. Как в случаях инженерного конструирования камер сгорания в автомобильных двигателях, так и при смешивании химических веществ в промышленном производстве, все химические реакции происходят только тогда, когда два реагента соприкасаются друг с другом, так что конструкторы стремятся к максимально возможному полному смешиванию реагентов.

Однако причина, вызывающая подобные высокие ускорения, все еще является предметом дебатов. Ученые предлагают свою гипотезу, что причиной ускорений могут быть малые завихрения, подобные крошечным вихрям, возникающие здесь и там в турбулентном потоке. Но эта гипотеза также спорна.


Dr.BoT© Konspektiruem.ru