13:11
Comentarii Adauga Comentariu

_ Noul model descrie pufurile, limacșii și rolul aleatoriei în turbulența de tranziție

_ Noul model descrie pufurile , melci și rolul aleatoriei în turbulențele de tranziție

Menționați cuvântul „turbulență” și puteți evoca imagini cu zboruri accidentate, vreme furtunoasă și curenți agitați din ocean sau râu. Pentru mulți, turbulența este un fapt din viața de zi cu zi, dar este și unul dintre fenomenele fizice cel mai puțin înțelese. În special, punctul în care mișcarea unui fluid trece de la un flux neted și previzibil (cunoscut sub denumirea de „laminar”) la aleatoriu și imprevizibil (cunoscut sub numele de „turbulență”) – așa-numita tranziție laminar-turbulentă – continuă să deranjeze oamenii de știință de la Osborne. Reynolds l-a studiat pentru prima dată experimental în țevi în 1883.

Acum, o echipă de oameni de știință cu sediul la Universitatea Illinois Urbana-Champaign, Universitatea din California San Diego și Academia Sinica din Taiwan au arătat cum să țină seama pentru modelele aleatoare și dinamica turbulenței în conducte în regim de tranziție. Lucrarea lor folosește idei noi care își au originea în domenii atât de disparate precum mecanica statistică și ecologia și se bazează pe dovezile tot mai mari că tranziția laminar-turbulentă are proprietăți statistice care pot fi gândite cel mai bine în termeni de teoria tranzițiilor de fază neechilibrate.

Echipa este formată din studentul absolvent de fizică UIUC Xueying Wang, cercetătorul de la Academia Sinica Hong-Yan Shih și profesorul emerit de fizică și cercetare Nigel Goldenfeld. Goldenfeld este în prezent profesor distins de fizică al cancelarului la Universitatea din California San Diego.

Autorii și-au publicat rezultatele pe 11 iulie 2022, în revista Physical Review Letters.

Pufurile și melcii sunt caracteristici ale turbulenței de tranziție

Reynolds a descoperit că în conducte, tranziția laminar-turbulentă are loc într-un mod neregulat pe măsură ce viteza de curgere este crescută. Bucuri de fluid turbulent, cunoscute astăzi sub numele de „pufături”, apar în apropierea tranziției laminar-turbulente și sunt separate de regiuni de flux laminar. Modalitățile precise în care pufurile apar și se mișcă sau chiar se împart în două depind de geometria spațiului prin care curge un fluid. Aceste fenomene complexe contribuie la reputația bine câștigată a turbulenței ca fiind una dintre ultimele probleme restante din fizica clasică. La viteze și mai mari, zonele turbulente cresc de fapt, mai degrabă decât să se miște sau să se despartă: aceste regiuni în creștere ale turbulenței sunt numite „limacși”.

Pentru a construi o imagine mai clară a tranziției la turbulență, cercetătorii au dezvoltat un nou model minimal pentru înțelegerea pufurilor și melcilor folosind metode importate din biologia teoretică a populației. Cercetătorii au descoperit că ar putea reprezenta fluxul de energie al fluidului în apropierea tranziției laminar-turbulente în ceea ce privește fluxul de energie care apare într-un ecosistem prădător-pradă, în care nutrienții sunt energia fluxului de fundal, prădătorul este o anumită structură de curgere. care inhibă turbulența, iar turbulența este prada. Acest model ecologic recapitulează comportamentul turbulent atât în ​​conductă, cât și în fluxul Taylor-Couette, un tip de curgere rotațională — un obiectiv pe care modelele anterioare nu l-au atins.

Goldenfeld spune: „În urmă cu șase ani, s-a făcut o descoperire dovezi teoretice și experimentale care converg către o descriere a pufurilor turbulente care ies din fluxul laminar, în termeni de teoria tranziției de fază. Cu toate acestea, această lucrare a lăsat deschisă întrebarea ce se întâmplă la viteze mai mari de curgere, departe de punctul de basculanță în sine.

< „Noua noastră lucrare arată că același cadru și metode conceptuale se aplică și în regimul melcilor și recapitulează în detaliu remarcabil constatările experimentale. Este fantastic să vezi că conceptele din teoria tranziției de fază și ecologie se unesc în problema complet diferită a mecanicii fluidelor.”

Limacșii înșiși prezintă comportamente interesante și vin în două arome, limacși slabi și limacși puternici, ambele fiind caracterizate de cel puțin un „front”, o regiune care conține o limită între fluidele laminare și cele turbulente.

Autorul principal Wang explică: „Fața unui melc este ca un front meteorologic. Pe o parte a frontului este fluid laminar. Pe cealaltă parte este turbulența. Frontul este ca o limită de fază și se mișcă. în spațiu, la o viteză constantă. În conducte se obțin melci la fel de bine ca și puf. Dar melcii slabi la viteză mai mică a fluidului au un singur front în amonte, în timp ce melcii puternici cu viteză mai mare au fronturi atât în ​​direcția amonte, cât și în aval. Acești factori și bogăția fenomenelor de tranziție face înțelegerea turbulenței tranziționale cu adevărat dificilă. Munca noastră oferă un cadru unificat care tratează toate aceste regimuri, diferite geometrii de flux și aleatorietatea inerentă."

Modelele prădător-pradă și turbulența converg

>

Cercetătorii au putut să ia avantajul unei legături surprinzătoare pe care au găsit-o în lucrările anterioare între biologia populației și turbulența de tranziție.

Modelarea modului în care prădătorii interacționează cu prada lor este o temă populară în biologia populației. Ideea de bază este simplă: prădătorii se reproduc și mănâncă prada, reducându-și populația; prada se reproduc, de asemenea, restabilindu-si numarul si oferind pradatorilor hrana. Apoi ciclul se repetă. Mai simplu spus, prădătorii inhibă prada, în timp ce prada întărește prădătorii. Oamenii de știință pot deduce multe informații din aceste modele, cum ar fi modul în care populațiile de prădători și pradă variază de-a lungul timpului, precum și cât timp durează ca fiecare să se stingă din cauza, de exemplu, lipsa hranei sau supraprădarea.

Într-un studiu anterior, Shih și Goldenfeld, lucrând cu fostul student de licență Tsung-Lin Hsieh (acum bursier postdoctoral la Universitatea Princeton), au arătat că există o analogie între modelele prădător-pradă și turbulență care poate fi exprimată în termeni matematici. . Când fluidul curge printr-o țeavă, sunt generate două tipuri de mișcare a fluidului. Primul tip este un model de vortex care se învârte în jurul axei țevii, numit „flux zonal”. Al doilea tip este turbulența de-a lungul axei conductei. Autorii au descoperit că turbulența se acumulează în mod constant și activează fluxul zonal, care ulterior suprimă turbulența. Cu alte cuvinte, fluxul zonal corespunde prădătorilor, iar turbulența corespunde pradei.

Cercetătorii au descoperit că distribuția de probabilitate a duratei de viață a turbulenței de tranziție se potrivește exact cu cea a prădătorilor și a pradei dintr-un ecosistem, o conexiune uimitoare având în vedere că biologia populației și dinamica fluidelor sunt domenii aparent disparate.

Hong-Yan Shih comentează: „Această conexiune ne ajută să înțelegem comportamentul tranzițional complex al turbulenței din punctul de vedere al tranzițiilor de fază în mecanica statistică. Mai exact, această descoperire oferă ingredientele cheie pentru a construi o teorie eficientă, care duce la predicția că tranziția laminar-turbulentă în fluide este o tranziție de fază de neechilibru în clasa de universalitate a percolației direcționate.

„Percolarea dirijată poate fi considerat ca fiind procesul familiar care se întâmplă atunci când apa picură prin zațul de cafea într-un percolator. Dacă terenul este prea strâns, apa nu poate trece. Pe de altă parte, dacă zațul este prea slab, apa poate trece, dar cafeaua este de nebăut. Există un punct critic în care apa reușește să treacă și durează suficient de mult pentru ca cafeaua să aibă un gust bun.

„Din punct de vedere matematic, acest fenomen este exact ceea ce se întâmplă în tranziția la turbulență și tranziția unei funcționări. Ecosistem. Matematica tranzițiilor de fază, fondată în lucrarea câștigătoare a premiului Nobel a lui K. Wilson, explică modul în care apare acest fenomen remarcabil.”

Această lucrare anterioară, totuși, s-a uitat la turbulența unui singur puf. Viața reală nu este la fel de simplă, iar fluidele reale din apropierea tranziției laminar-turbulente conțin mai multe pufături care cresc, se sting și interacționează în moduri complexe pe măsură ce viteza de curgere crește. Cercetătorii au trebuit să-și extindă modelul pentru a surprinde dinamica mai complicată dincolo de cea a unui singur puf.

Extinderea modelului prădător-pradă prin încorporarea nutrienților

Pentru a surprinde dinamica complexă găsită în experimente dincolo de punctul critic al studiului actual, autorii au decis să ia în considerare bilanțul energetic în fluxul conductei.

Wang explică: „Turbulența este o structură disipativă care are nevoie de un aport constant de energie pentru a fi susținută și acea energie. provine din fluxul laminar. Acest fapt a fost demonstrat anterior prin simulări exacte pe computer ale ecuațiilor fluidelor, dar nu ne-a permis să înțelegem într-un mod predictiv fenomenele care vor apărea.”

Cercetătorii și-au dat seama că, la fel cum fluxul zonal și turbulența necesită energie pentru a persista, prădătorii și prada au nevoie de nutrienți din mediul lor pentru a supraviețui.

„Am vrut să facem un model minim al echilibrului energetic complet pentru a extinde munca anterioară și a capta energia. extragerea turbulenţelor din flux mediu laminar”, adaugă Wang. „Așa că am introdus o altă componentă în „ecosistem”: nutrienții, care reprezintă energia cinetică a fluxului mediu.”

Cercetătorii au simulat numeric modelul extins prădător-pradă pe o rețea bidimensională având un lungime mult mai mare decât lățimea sa. Ei au urmărit ce se întâmplă atunci când nutrienții – adică energia în stare laminară, din perspectiva dinamicii fluidelor – curg în ecosistem, sunt consumați de turbulență și sunt restaurați în aval de turbulență.

Modelul mapează mai multe căi pentru energie și dinamica populației. Prima cale duce energia de intrare din bugetul energetic la energia turbulentă, cum ar fi prada care extrage nutrienți din mediul lor. O a doua cale duce energia turbulentă la energia fluxului zonal, cum ar fi prădătorii care mănâncă prada.

Odată ce au stabilit aceste căi inspirate de prădători-pradă, s-au așezat pe spate și au urmărit simulări pe computer bazate pe noul model, în care energia a intrat. țeava și a trecut prin căi aleatoriu. Din aleatoriu au apărut trăsături ale turbulenței tranziționale, cum ar fi pufurile, limacșii și fronturile asociate acestora, reproducând rezultatele observate în experimente. Simulările au arătat că aspectul pufurilor sau melcilor – și dacă melcii sunt de tip slab sau puternic – este determinat de energia de intrare (sau echivalent, viteza) fluxului de fluid.

Cercetătorii apoi a reprodus cu succes toate fenomenele de tranziție observate în experimentele de curgere a conductelor și a explicat fizica de bază a despărțirii și creșterii pufului. Mai exact, ei au descoperit că împărțirea pufului și interacțiunea este foarte probabilistică. Pe măsură ce viteza fluidului crește, crește și probabilitatea de despicare a pufului. Tranziția puf-limac este treptată și apare atunci când pufurile se împart atât de frecvent încât încep să umple sistemul în mod dens.

Flux de rotație și noi întrebări pentru turbulențe

Pe lângă debitul conductei, cercetătorii au simulat, de asemenea, un tip special de flux rotațional, cunoscut sub numele de flux Taylor-Couette, în care un fluid se mișcă în spațiul dintre doi cilindri concentrici, iar cilindrul exterior se rotește față de cel interior. Spre deosebire de curgerea țevii, unde energia intră de la capătul de înaltă presiune al țevii, curgerea Taylor-Couette este susținută de forfecare, stresul care apare atunci când două limite se mișcă paralel una cu cealaltă. Noul model a încorporat cu ușurință această diferență și a reprodus modelele de turbulență de tranziție observate în experimente, demonstrând flexibilitatea modelului.

„Am arătat că trăsăturile dinamice bogate și complicate ale fluxului de conducte tranziționale pot fi înțelese cu un model simplu pradă-pradă stocastic pe trei niveluri, bazat pe bilanțul energetic în fluxul conductei”, spune Wang. „Modelul nostru funcționează și pentru fluxul Taylor-Couette cvasi-unidimensional. Deoarece echilibrul energetic se menține în general în sistemele fluide, ne așteptăm ca modelul nostru să fie aplicabil și la sistemele cu geometrii mai complicate.”

Având în vedere. descriind turbulența pe scară largă prin implementarea modelului lor în două geometrii diferite, echipa încearcă deja să răspundă la noi întrebări.

Goldenfeld spune: „Următoarea provocare este să vedem dacă și cum modelul nostru probabilist poate fi extins la două - sau fluxuri tridimensionale. Această problemă a fost studiată intens de peste douăzeci de ani, cu date experimentale noi care încep să apară."

La rândul său, Goldenfeld este încântat să vadă că diverse tehnici converg pentru a rezolva probleme. în moduri complementare, o frumoasă demonstrație a modului în care diferitele domenii ale științei se pot informa reciproc.

Goldenfeld rezumă: „Rezultatele noastre arată cum dinamica stocastică, formarea modelelor, tranzițiile de fază și conceptele de modelare din diverse domenii, cum ar fi ecologie poate bri Gând noi instrumente, predicții și perspective într-o problemă considerată anterior în cadrul focusului disciplinar mai restrâns al dinamicii fluidelor. Este incitant să vedem cât de reușită are modelarea minimală în capturarea unor fenomene fizice complexe într-un mod cantitativ.”


(Fluierul)


Linkul direct catre Petitie

CEREM NATIONALIZAREA TUTUROR RESURSELOR NATURALE ALE ROMANIEI ! - Initiativa Legislativa care are nevoie de 500.000 de semnaturi - Semneaza si tu !

Comentarii:


Adauga Comentariu



Citiți și cele mai căutate articole de pe Fluierul:

_ Gary Neville deplânge condițiile de viață „STASGERING” pentru muncitorii de la Cupa Mondială din Qatar

_ Milioane lovite de taxa de 46 de miliarde de lire sterline a cancelarului Kwasi Kwarteng

_ RuPaul's Drag Race Down Under: Spankie Jackzon despre cum va cheltui premiul în numerar de 50.000 USD

_ Fostul tâlhar „Public Enemy No1” John McVicar a murit după „un atac de cord în timp ce își plimba câinele”

_ Charlotte Crosby vorbește despre cearta cu fosta co-star a lui Geordie Shore, Vicky Pattison

_ Post Malone anulează concertul din Boston deoarece este dus la spital pentru probleme de respirație și durere

_ Jodi Gordon este văzută ridicându-și fiica Aleeia la casa mamei fostei Braith Anasta

_ Olivia Rodrigo îl onorează pe Alanis Morissette și o introduce în Canadian Songwriters Hall Of Fame

_ Eddie Hearn îl avertizează pe Tyson Fury că nu există nicio șansă ca lupta cu Anthony Joshua să fie semnată luni

_ Haye îl laudă pe Joyce „perfect” pentru că i-a „luat inima lui Parker” înainte de a asigura oprirea în runda a 11-a

_ Putin departe! Recruții ruși introduc berile și se beau fără sens

_ LIZ TRUSS: De prea mult timp politicienii s-au luptat pentru cum să taie plăcinta economică

_ Antrenorul lui Chelsea, Anthony Barry, „se pregătește să renunțe la postul vacant de la Huddersfield pentru a lucra cu BELGIA” la Cupa Mondială

_ Uraganul Fiona a lovit estul Canadei: Peste jumătate de milion de case fără curent, copaci smulşi, o persoană dată dispărută (Video)

_ Omenirea va devia un asteroid! România va lua parte la acțiune, iar totul va fi transmis online

_ Julia Roberts uimește în tweed negru în timp ce George și Amal Clooney întorc capetele la History Talks 2022

_ Poliţia de Frontieră: 94.000 de persoane au intrat sâmbătă în ţară, dintre care 10.385 ucraineni; creştere de 6,3%

_ Sibiu: Doi tineri aflaţi pe un moped, răniţi într-un accident; cel care conducea era băut

_ Migrantul „copil” cu barca este de fapt un iranian de 25 de ani și a fost prins de barba CRUIE

_ TONY HETHERINGTON: Cecul de 41.627 GBP este furat după schimbarea numelui

_ Lachlan Murdoch și soția Sarah sosesc la Sydney cu un avion privat înaintea confruntării sale pentru defăimare

_ NFL ar fi putut vinde TREI MILIOANE de bilete pentru meciul Bucs-Seahawks de la Munchen, spune șeful

_ 5 Seconds of Summer rock pe scena festivalului iHeartRadio din Las Vegas

_ Elevii și studenții cu rezultate bune la învățătură în noul an școlar vor primi 71.100 de lei, ca bursă, de la Arhiepiscopia Buzăului și Vrancei

_ Deși zice că a inventat un vaccin anti-COVID-19 mai bun, directorul general al Pfizer s-a infectat iar

_ Victoria Beckham se strecoară într-o rochie YSL cu 3.000 de lire sterline pentru cina cu soțul ei David

_ Evenepoel din Belgia merge singur pentru a câștiga titlul mondial în cursa rutieră

_ Jordan Ablett oferă un omagiu emoționant adus lui Joel Selwood

_ Atacuri violente ale aviației ruse în Sudul Ucrainei. Concomitent a fost lansat si `un atac masiv cu rachete` (Video)

_ Nicușor Dan vrea să îl facă cetăţean de onoare al Bucureștiului pe Dumitru Prunariu

_ Cum să curățați un duș în 10 minute: agentul de curățare Melbourne dezvăluie procesul pas cu pas

_ Mayweather îl elimină pe Asakura din Japonia în expoziție

_ Arnold Schwarzenegger zâmbește ureche la ureche în timp ce conduce orchestra în timp ce sărbătorește Oktoberfest

_ Charlie Brooks dezvăluie că părăsește EastEnders la doar 18 luni de la întoarcerea ei la televiziune

_ Italia se pregătește pentru cutremur politic, fiind cel mai mare guvern de dreapta de la cel de-al Doilea Război Mondial, care urmează să fie ales

_ Asistentul regelui Carol lovit de scandal în centrul anchetei monarhului „numerar pentru onoruri”

_ A trezit profesorul din Uta care s-a lăudat că clasa ei „pentru studenți non-albi” își păstrează locul de muncă după scuze

_ Kaia Gerber își etalează picioarele lungi în pantaloni scurți negri în timp ce își scoate câinele de salvare la plimbare

_ Ciclistul olandez Van der Poel arestat înainte de cursa pentru titlul mondial: raport

_ Ducesa, divorțată „surprinsă” monarh, a vrut să se îmbrace în alb la nuntă, afirmația cărții lui KATIE NICHOLL

_ AUSTRALIAN OPEN 2010: Brad Gilbert - Atingerea de geniu de Andy Murray a transformat meciul

_ Mulțimile se adună pentru a urmări flotila de 150 de bărci care navighează pe Tamisa în semn de omagiu emoționant adus Reginei

_ Cuplurile ruși se îmbrățișează în lacrimi la revedere înainte ca bărbații să fie forțați să intre în războiul din Ucraina, în timp ce UE dorește azil

_ Naomi Watts arată elegantă într-un blazer negru și blugi în timp ce își poartă câinele prin New York

_ Criticii arhivați ai Consiliului Britanic de Clasificare a Filmelor au sălbăticit odată jurnalul „vapid” al lui Bridget Jones.

_ Vânătoarea de 10.000 de lire sterline pe zi pentru iubitul chihuahua al lui Paris Hilton, „Diamond Baby”

_ Protestatarii plănuiesc o „campanie de șase săptămâni care va bloca Parlamentul, va bloca tribunalele și va întinde poliția”

_ Marcus Rashford respinge Anglia snob pentru a participa la lupta Joe Joyce

_ Starul lui Man United, Cristiano Ronaldo, a suferit o accidentare de groază în urma loviturii Portugaliei împotriva Cehiei

_ Federico Valverde „a dat mâna la Arsenal pentru doar 2,7 milioane de lire sterline în 2014”, când era la Penarol

_ EMILY PRESCOTT: Fiul curat al lui Pete Doherty este chemat la bar... la cocktail bar

_ Relația Annie Cardone cu Dodi Fayed, la 25 de ani după accidentul care a ucis-o pe ea și prințesa Diana

_ Nu vă panicați! Căpitanul Angliei Harry Kane le cere fanilor să-i judece la Cupa Mondială după pierderea Italiei

_ Paul Pogba a angajat un vrăjitor - dar nu pentru a-l vraja pe coechipierul Franței, Kylian Mbappe

_ Holliday Grainger se îndreaptă la Hollywood după ce a impresionat criticii cu spectacole în thrillerul de succes BBC

_ Alessandra Ambrosio captează atenția într-un gilet negru în timp ce se alătură lui Toni Garrn pentru show-ul Moncler

_ Jocurile CFB ale săptămânii - Săptămâna 4: Wisconsin-Ohio State, Clemson-Wake, Arkansas-Texas A&M și multe altele

_ Starul Farmer Wants A Wife este prins Făcându-și situația de viață

_ Vaslui: Un şofer ucrainean s-a răsturnat cu TIR-ul la intrarea în Huşi, dinspre Albiţa

_ RAPORT SPECIAL: Iranul este în haos înaintea Cupei Mondiale, pe măsură ce tulburările cresc în țară


Pag.1 Pag.2 Pag.3 Pag.4 Pag.5 Pag.6 Pag.7
Pag.8 Pag.9 Pag.10 Pag.11 Pag.12 Pag.13 Pag.14 Pag.15
Pag.16 Pag.17

Nr. de articole la aceasta sectiune: 987, afisate in 17 pagini.