Teoria, która przetrwała próbę czasu
Kluczowe założenie teorii Kołmogorowa opisuje kaskadowy przepływ energii w płynach. Energia przemieszcza się od dużych struktur do coraz mniejszych wirów, by ostatecznie rozproszyć się jako ciepło. Problemem pozostawał brak bezpośrednich dowodów dla turbulencji wywołanej pęcherzykami (BIT), czyli zjawiska powszechnego zarówno w oceanach, jak i instalacjach przemysłowych.
Czytaj też: Słoneczne generatory termoelektryczne z 15-krotnie wyższą wydajnością! Co za skok nowej technologii
Chcieliśmy uzyskać ostateczną odpowiedź, przyglądając się bliżej turbulencji między pęcherzykami i wokół nich, w bardzo małych skalach — wyjaśnia Tian Ma, fizyk z Instytutu Dynamiki Płynów w HZDR
Badacze z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, John Hopkins University i Duke University opracowali precyzyjny system obserwacji. W kolumnie wody o szerokości 11,5 cm umieszczano kontrolowane roje pęcherzyków, rejestrując ich ruch za pomocą czterech zsynchronizowanych kamer szybkoobrotowych. Urządzenia pracowały z prędkością 2500 klatek na sekundę, co pozwoliło na trójwymiarowe śledzenie ruchu cząstek w czasie rzeczywistym. Pęcherzyki o średnicy 3-5 mm podczas wznoszenia generowały charakterystyczne ślady turbulentne. Naukowcy opracowali specjalną formułę matematyczną uwzględniającą rozmiar i gęstość bąbelków, co umożliwiło precyzyjne oszacowanie wskaźnika rozpraszania energii.
Przełomowe odkrycia i naturalne ograniczenia
Wyniki zaskoczyły samych badaczy. W dwóch z czterech przypadków turbulencja w małych skalach dokładnie odpowiadała przewidywaniom Kołmogorowa. Szczególnie wyraźne efekty obserwowano poza bezpośrednimi śladami pęcherzyków, gdzie zaburzenia były mniejsze. Andrew Bragg z Duke University zauważa, że wspomniana teoria wyjaśnia, jak energia kaskadowo przepływa od dużych wirów do mniejszych, aż do rozproszenia. Stwierdzenie, że ta teoria tak dobrze opisuje również turbulencję napędzaną pęcherzykami, jest jego zdaniem zarówno zaskakujące, jak i ekscytujące.Eksperyment ujawnił jednak naturalne ograniczenie.
Czytaj też: Przełom w recyklingu magnesów. Japońscy naukowcy odzyskują 96% pierwiastków ziem rzadkich
Okazało się, że osiągnięcie idealnego zakresu inercyjnego wymagałoby użycia pęcherzyków o średnicy 20-25 mm, które natychmiast ulegałyby rozpadowi pod wpływem sił powierzchniowych. To ciekawy przykład, jak prawa fizyki stawiają granice naszym badaniom. Mówiąc krótko: natura uniemożliwia pęcherzykom wytwarzanie doskonałej turbulencji Kołmogorowa, lecz w odpowiednich warunkach jest ona bliska doskonałości. Dokonane odkrycia mogą znaleźć praktyczne zastosowanie w projektowaniu reaktorów chemicznych czy systemów oczyszczania ścieków, gdzie zrozumienie mechanizmów turbulencji ma kluczowe znaczenie dla wydajności. Artykuł prezentujący te ustalenia ukazał się w Physical Review Letters.