Лучшее понимание турбулентности — одна из главных задач физики. Турбулентность присутствует везде: в промышленных процессах, в атмосфере, при обтекании кораблей или самолетов. Числа Рейнольдса — мера силы турбулентности — которые могут быть достигнуты в лаборатории, намного меньше, чем в реальных процессах.
При измерении теплового потока в лаборатории при более слабой турбулентности значения нельзя просто экстраполировать на более высокие числа Рейнольдса в природе или промышленности. Однако есть хорошо известная теория, которая больше говорит нам о бесконечно больших числах Рейнольдса.
Это теория, восходящая к 1962 году, и с тех пор она вызвала многочисленные дискуссии. Согласно этой теории Роберта Крейчнана, последнего помощника Альберта Эйнштейна, существует «асимптотический предельный режим». В этом режиме возможно апскейлинг.
Еще лучше: теперь режим может быть достигнут при числах Рейнольдса, которые могут быть достигнуты в лаборатории. Это новая и незаменимая связь между теорией и практикой.Пограничный слойУченым из группы «Физика жидкости» профессора Детлефа Лозе удалось сделать это, придав поверхности шероховатость.
Таким образом изменяется поток жидкости на поверхности. Для измерения турбулентного потока у группы есть установка Twente Turbulent Taylor-Couette, в которой турбулентный поток может создаваться между двумя цилиндрами, вращающимися независимо друг от друга.
Течение у стенки очень интересно: при меньших числах Рейнольдса поток турбулентный, за исключением пограничного слоя, где он все еще ламинарный. При движении к более высоким числам Рейнольдса течение в целом будет турбулентным.
Подводя ребра к поверхности, поток у стенки резко меняется, и создается ситуация, которая обычно возникает только при гораздо более сильной турбулентности. Моделирование, выполненное аспирантом Сяцзюэ Чжу, и эксперименты его коллеги Рубена Вершуфа дополняют друг друга. Преимущество моделирования заключается в том, что вы получаете подробную информацию о скорости потока в любой заданной точке, в то время как эксперименты можно проводить при более высоких числах Рейнольдса.Мощный
Этот решительный шаг — результат многих лет моделирования и экспериментов. Моделирование турбулентного потока требует огромных вычислительных мощностей. Моделирование на одном компьютере заняло бы 10 миллионов часов или 1140 лет. Поэтому исследователи использовали суперкомпьютеры по всей Европе, так что 2000 процессоров могли выполнять эту работу параллельно.
Эксперименты столь же сложны и находятся на самом пределе: установка Тейлора-Куэтта, которая является самой большой и самой совершенной машиной в своем роде, имеет двигатели, потребляющие 20 киловатт энергии, в то время как дополнительные 20 кВт необходимы для охлаждения установки. .Исследование, представленное в журнале Nature Physics, стало возможным благодаря Нидерландскому центру многомасштабного каталитического преобразования энергии (MCEC), десятилетней исследовательской программе, в которой участвует группа по физике жидкостей, и Нидерландской организацией научных исследований (NWO).