Ученые опровергли 80-летнюю теорию турбулентности, научившись управлять потоками энергии

Ученые из Питтсбургского университета совместно с коллегами из Туринского университета (Италия) совершили открытие, которое опровергает 80-летнюю теорию турбулентности. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что направление потока энергии в турбулентных средах можно изменять, что ранее считалось невозможным.

С 1941 года, благодаря работам Андрея Колмогорова, считалось, что в трехмерных средах (океаны, атмосфера) энергия передается от крупных вихрей к более мелким. В двумерных потоках, напротив, энергия движется от малых масштабов к большим. Исследователи под руководством доцента Лэя Фанга обнаружили, что это правило не является незыблемым.

Фанг переосмыслил процесс переноса энергии как механический, основанный на уравнениях Навье-Стокса. Используя математический аппарат тензоров, описывающих деформации и напряжения, он выяснил, что направление передачи энергии зависит от взаимодействия этих тензоров. При определенных условиях поток энергии можно перенаправить.

«Мы показали, что можем создавать турбулентные потоки, демонстрирующие как прямой, так и обратный поток энергии. Наша теория применима и к трехмерным масштабам», — заявил Фанг.

Эксперименты подтвердили теорию. В лаборатории ученые создали тонкий слой воды, приводимый в движение электромагнитными силами. Горизонтальное магнитное поле генерировало двумерный поток, который возмущался с помощью стержней. Трассеры в электролите позволили визуализировать движение жидкости. Результаты совпали с компьютерным моделированием.

Открытие имеет широкий спектр практических применений. В океанологии оно может помочь управлять распространением загрязняющих веществ вдоль береговой линии. В медицине, особенно в микрофлюидике, где жидкости движутся по каналам менее миллиметра и практически не смешиваются из-за отсутствия турбулентности, новая методика позволит генерировать «слабую турбулентность» для ускорения смешивания реагентов.

«В микрофлюидных потоках менее одного миллиметра вязкость жидкости затрудняет смешивание. Мы могли бы выровнять силы и смещение, чтобы генерировать слабую турбулентность, которая ускорит смешивание агентов», — добавил Фанг.

Исследование также может улучшить климатические модели. По мере изменения климата меняются ветровые и океанические течения, что может влиять на направление потока энергии в турбулентности. Понимание этих процессов позволит создавать более точные прогностические модели.