Исследователи Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН и факультета физики Высшей школы экономики выяснили, как поведение турбулентных потоков меняется под действием внешнего воздействия, рассказали в пресс-службе ВШЭ.
Турбулентность — движение быстро движущихся воды или воздуха, которое кажется хаотичным. В таком состоянии потоки постоянно перемешиваются, ломаются, вихри распадаются на маленькие, иногда исчезают или, наоборот, собираются в крупные.
Для описания поведения и эволюции турбулентных потоков используются сложные математические модели со множеством параметров. Чтобы понять поведение реальных систем, например атмосферы и океанов Земли, ученые упрощают моделирование, изучая процессы на плоскости вместо объема.
Однако законы турбулентности в трехмерных и двумерных системах кардинально различаются. В трехмерных энергия движется по прямому каскаду: большие потоки склонны распадаться на маленькие, энергия которых после выделяется в виде тепла. В плоских системах турбулентность проявляется иначе. Такая конфигурация заставляет энергию перемещаться по обратному каскаду: мелкие вихри стремятся объединиться в крупные.
Научный сотрудник ИТФ РАН и ВШЭ Владимир Парфеньев и студентка ВШЭ Алиса Шиканиан смоделировали поведение турбулентных вихрей на плоскости на примере жидкости в квадратной ячейке.
Ученые рассмотрели случай, когда к двумерной системе прикладывают постоянный внешний крутящий момент, как будто потоки дополнительно закручивают извне. Оказалось, что добавление совсем небольшого внешнего подкручивания способно увеличить время жизни крупных вихрей и стабилизировать поведение системы. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и опубликована в журнале Physics of Fluids.
Самый важный для нас результат — точное понимание того факта, что трения жидкости только о стенки недостаточно для остановки обратного каскада энергии в двумерной системе, вихри жидкости всегда будут стремиться собраться в крупные структуры. Так или иначе энергия в системе накапливается на крупных масштабах — именно так из хаоса образуется порядок.
Полученные учеными результаты расширяют понимание процессов, управляющих формированием крупномасштабных структур в двумерной турбулентности, и создают прочный фундамент для будущих исследований в этой области. Результаты можно будет использовать для уточнения прогностических моделей океанических и атмосферных течений.
Ранее Наука Mail рассказывала, что саратовский физик открыл возможность управлять сложными системами с помощью шума Леви.
