Учёные обнаружили скрытую турбулентность в полимерных жидкостях
Турбулентный поток. Автор: Rosti (2025), J. Fluid Mech., 1012, R5. CC BY-NC 4.0.
Турбулентность — хаотичное, нерегулярное движение, вызывающее тряску, которую мы иногда испытываем в самолёте, — веками интриговала учёных. В Институте науки и технологий Окинавы (OIST) исследователи изучают это явление в особом классе материалов, известных как сложные жидкости.
В отличие от простых жидкостей, таких как вода, сложные жидкости ведут себя как нечто среднее между жидкостями и твёрдыми телами. Например, когда в жидкость добавляют длинные цепочки молекул, называемые полимерами, они могут кардинально изменить её турбулентное поведение и сформировать динамику потока. Эти полимерные жидкости, которые являются разновидностью сложных жидкостей, окружают нас повсюду: в шампунях, средствах для мытья посуды, антисептиках для рук и даже в кетчупе.
Фундаментальная физика, определяющая течение полимерных жидкостей, оставалась неясной и была предметом многочисленных исследований. Понимание этого имеет решающее значение для таких применений, как целевая доставка лекарств, где поведение потока влияет на скорость высвобождения препаратов. Но сложное взаимодействие таких факторов, как инерция и упругость в полимерных жидкостях, означает, что возможен широкий спектр турбулентных поведений, что затрудняет распутывание основной динамики.
До недавнего времени учёные считали, что два различных типа турбулентности возникают при разных условиях. Инерционная турбулентность — это классическая форма, наблюдаемая в хаотическом движении воздуха во время турбулентности в самолёте. Она возникает, когда инерционные силы жидкости доминируют, создавая весьма нерегулярные потоки.
Другой тип, известный как упругая турбулентность, более необычен. Представьте, что вы размешиваете краску в воде. Даже при медленном и плавном перемешивании жидкость может внезапно начать завихряться непредсказуемым образом. Это происходит потому, что полимеры в жидкости растягиваются и накапливают упругую энергию, что дестабилизирует поток. В этом случае управление берут на себя упругие силы. Исследователи полагали, что инерционная турбулентность проявляется только в быстрых, крупномасштабных потоках, в то время как упругая турбулентность ограничивается очень медленными, плавными потоками.
Теперь в новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, исследователи из подразделения Complex Fluids and Flows Unit OIST показали, что эти две формы турбулентности на самом деле сосуществуют. Используя передовые компьютерные симуляции, команда обнаружила, что в то время как движение жидкости в крупном масштабе ведёт себя как инерционная турбулентность, тот же поток переходит в упругую турбулентность в самых мельчайших масштабах.
«Симуляции, необходимые для этого исследования, были беспрецедентными, — сказал доктор Пьюш Гарг, первый автор исследования. — Для захвата информации в таком малом масштабе требовалась вычислительная система, способная эффективно запускать чрезвычайно высокодетализированные модели. Достижение такого уровня детализации было необходимо для обнаружения явления, что, возможно, объясняет, почему его никогда не наблюдали ранее. Фактически, это крупнейшая симуляция, когда-либо проводившаяся для жидкостей такого типа».
Результаты показывают, что упругая турбулентность гораздо более распространена, чем считалось ранее. «До сих пор мы думали, что упругая турбулентность возникает только в очень медленных, плавных потоках, где инерция почти нулевая. Наше исследование показывает, что это не так. Мы обнаружили, что упругая турбулентность также появляется в малом масштабе наряду с инерционной турбулентностью в полимерных жидкостях. Другими словами, оба типа турбулентности существуют в одном потоке, но на разных масштабах», — объяснил доктор Гарг.
«Это открытие связывает два направления исследований турбулентности и сложных жидкостей, которые ранее считались раздельными. Это результат междисциплинарной исследовательской среды OIST, где исследователи могут делиться идеями и решать открытые проблемы из разных областей», — добавил профессор Марко Русти, глава подразделения Complex Fluids and Flows Unit и соавтор статьи.
Обнаружив, что упругая турбулентность может возникать внутри инерционных полимерных потоков, это исследование может предоставить ключевое недостающее звено в нашем понимании турбулентности. Оно имеет потенциальные последствия для отраслей, использующих полимеры для контроля поведения жидкости, таких как снижение сопротивления в трубопроводах, химическое смешивание и биомедицинские применения.
Больше информации: Piyush Garg et al, Elastic Turbulence Hides in the Small Scales of Inertial Polymeric Turbulence, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/pbtf-rn7d
0 комментариев