Турбулентность — это на первый взгляд хаотичное и беспорядочное движение потоков воды или воздуха, возникающее при их увеличенной скорости. В этом состоянии жидкость или газ не просто перемешиваются, а формируют сложные структуры из вихрей разных размеров: одни исчезают, другие, наоборот, растут, объединяясь в более крупные образования.
Сегодня физики осознают, в каких условиях зарождается турбулентность, но для детального понимания ее развития необходимы сложные математические модели с множеством переменных. Чтобы анализировать такие явления, как динамика атмосферы или океанических течений на Земле, ученые часто упрощают задачу: изучают турбулентные процессы не в объеме, а на плоскости, что позволяет выявить фундаментальные закономерности.
Особенности турбулентности: сравнение двумерных и трехмерных систем
Между трехмерной и двумерной турбулентностью существуют важные различия. В привычных объемных (трехмерных) потоках энергия переходит по прямому каскаду: крупные вихри постепенно распадаются на мелкие, тратя энергию, которая превращается в тепло. Однако в двумерных системах ситуация иная: здесь наблюдается феномен обратного каскада — множество маленьких вихрей склонны собираться в один крупный. Именно этот принцип лежит в основе формирования упорядоченных, устойчивых потоков на огромных масштабах.
Ведущий научный сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау РАН и Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ Владимир Парфеньев, а также магистрантка факультета физики НИУ ВШЭ Алиса Шиканиан провели уникальное исследование вихревой активности на плоскости. Для этого они смоделировали динамику течения жидкости в замкнутой квадратной области, сконцентрировав внимание на особенностях поведения вихрей.
Эксперимент с внешним крутящим моментом
В ходе своей работы исследователи рассмотрели ситуацию, когда на двумерную систему действует постоянный внешний крутящий момент, имитирующий дополнительное закручивание потоков. Результаты оказались крайне интересными: даже незначительное воздействие извне существенно увеличивало время жизни крупных вихрей и положительно влияло на устойчивость всей системы.
Проведенное моделирование позволило точно оценить, как изменяется толщина пограничного слоя — тонкой области возле стенок, где интенсивнее всего рассеивается энергия потока. Оказалось, что распределение скорости жидкости у границ системы полностью совпадает с закономерностями, зафиксированными в лабораторных экспериментах с мыльными пленками. По мере удаления от стенок скорость возрастала определенным образом, способствуя формированию и длительному существованию крупных вихревых структур.
Новые научные горизонты: порядок из хаоса
Одна из ключевых находок авторов исследования состоит в том, что одного лишь трения у стенок недостаточно, чтобы остановить процесс объединения вихрей и накопления энергии в крупных масштабах. Таким образом, в любой подобной системе благодаря явлению обратного каскада неизбежно происходит самоорганизация: беспорядочные потоки собираются в мощные устойчивые структуры.
«Очень важно, что мы окончательно поняли — трение по границам не в силах остановить сбор энергии на крупных масштабах. Даже при незначительном дополнительном закручивании течения процессы самоорганизации продолжаются, позволяя вихрям скапливаться в гигантские структуры. Это подтверждает: из турбулентного хаоса всегда рождается порядок», — делится Владимир Парфеньев.
Значение результатов для науки и практики
Полученные авторами результаты открывают новые перспективы в понимании механизмов формирования крупномасштабных структур в двумерной турбулентности. Эти достижения особенно ценны для специалистов, разрабатывающих модели прогнозирования динамики атмосферы и гидросферы: расширенные знания помогут уточнить оценку поведения океанов и воздушных масс Земли.
Эффективное управление и прогнозирование турбулентных систем — одна из важнейших задач современной науки. Разработанные в ИТФ имени Л.Д. Ландау РАН и НИУ ВШЭ подходы к моделированию и анализу двумерной турбулентности позволят значительно продвинуться вперед в этой области. Будущие открытия, основанные на фундаментальных закономерностях, безусловно найдут применение при создании новых технологических решений и углубленном понимании процессов, протекающих в нашей планете и за ее пределами.
Позитивные перспективы для научного сообщества
Исследование, проведенное Владимиром Парфеньевым и Алисой Шиканиан, стимулирует дальнейшую работу не только в фундаментальной физике, но и во многих смежных областях. Оптимистичный настрой ученых и их новаторский подход к решению сложных физических задач вдохновляют новые поколения исследователей использовать полученные результаты для развития отечественной и мировой науки.
Источник: naked-science.ru
