چهارچوب دینامیکی جدیدی در زمینه سیالات توسط فیزیک دانان کشف شد.
ازمایش محققان شامل دیوار های شفاف بود تا یک دسترسی کامل بصری را در اختیار آن ها قرار دهد؛ همچنین آن ها از تجسم جریان مدرن استفاده کردند.
منبع مایکل شاتز
یافته ها، یک نقشه راه جدید را با طیف وسیعی از کاربرد های متنوع مانند پیش بینی دقیق آب و هوا و بهره وری بهتر از سوخت خودرو ها و هواپیما ها را در زمینه سیالات نشان میدهند.
اگرچه بیشتر مردم به آن فکر نمیکنند، اما سیالات نقش کلیدی را در زندگی روزمره ما دارند. باعث میشوند تا هواپیماهای پر دست انداز، آب و هوا و تغییرات اقلیمی روند بهتری را طی کنند و همچنین استفاده از سوخت در خودرو ها را محدود میکنند و بر فناوری های انرژی های پاک تاثیر بهتری میگذارند. با این حال مهندس ها و دانشمندان در مورد راه های پیش بینی جریان سیال گیج شده اند. در واقع، مدتهاست که یکی از چالش برانگیزترین مشکلات در علم و مهندسی باقی مانده است.
چارچوب دینامیکی جدید برای راه اندازی آزمایشی سیالات
این تنظیمات به محققان اجازه میدهد تا با ردیابی حرکت میلیون ها ذره فلورسنت معلق، جریان را بازسازی کنند. منبع مایک شاتز
اکنون فیزیک دانان موسسه فناوری گرجستان (گرجیا تک) هم به صورت عددی و هم به صورت تجربی نشان داده اند که میتوان سیالات را با مجموعه کوچکی از راه حل های مناسب در زمینه معادلات حاکم بر دینامیت سیالات محاسبه، درک و کمیت کرد. توسط یک فرمول ریاضی خاص.
به گفته رومن گریگوریف : نزدیک به یک قرن است که سیالات از نظر آماری مانند یک فرایند تصادفی توصیف شده اند. نتایجی که ما بدست آوردیم اولین دیدگاه تجربی را ارائه میدهد که در مقیاس زمانی متناسب دینامیک سیالات آن قطعی است و ارتباط ان را به آین معادلات به طور اساسی تایید میکند.
این یافته ها در 19 آگوست 2022 در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد.
این تیم تحقیقاتی توسط گریگوریف و مایکل شاتز ،اساتید دانشگاه فیزیک در گرجستان، رهبری شدند. اساتیدی که در دو دهه گذشته در پروژه های تحقیقاتی مختلفی همکاری داشتند.
کریس کراولی، جاشوا پوه-سانفورد و وسلی تولر در این مطالعه به شاتس و گریگوریف که هر دو فارغ التحصیل دانشکده فیزیک بودند، پیوستند. همچنین مایکل کرایگر، دانشمند فوق دکتری که در آزمایشگاه ملی ساندیا، این محلول ها را در مقطع کارشناسی ارشد خود مورد مطالعه قرار داده بود نیز حضور داشت.
یک نقشه راه جدید در زمینه تحقیقاتی سیالات جریان های تکامل سیالات را پیش بینی کرده، که در واقع هر یک از ویژگی های آن ها بسیار دشوار است. به گفته گریگوریف : شبیه سازی عددی تنها روش پیش بینی قابل اعتماد موجود است. اما این روش بسیار هزینه بر است و هدف ها در این تحقیق، آن است که روشی کم هزینه تر را پیش بینی کنیم. تیم تحقیقاتی ما با مشاهده یک جریان سیال ضعیف که بین دو استوانه مستقل محور در حال چرخش بود، نقشه راه جدیدی را ایجاد کردند. این روش جدید برای مقایسه مشاهدات تجربی همراه با جریان های محاسبه شده عددی اختراع شده است و به دلیل عدم وجود “اثرات پایانی” که در زمینه هندسه مانند جریان به سمت پایین لوله وجود دارد، این محاسبات در اختیار تیم قرار داده شد.
یک چهارچوب دینامیکی جدید برای سیالات نمودار شماتیک تحقیقات فیزیکدانان.
منبع مایکل شاتز و رومن گریگوف
به گفته گریگوف : سیال ها را میتوان مانند خودرویی که جاده ای را دنبال میکند در نظر گرفت. شاید یک تشبیه بهتر، قطاری باشد که نه تنها از یک راهآهن بر اساس جدول زمانی تعیینشده پیروی میکند، بلکه شکل آن قطار نیز مانند راه آهنی است که از آن پیروی میکند.
این آزمایش دارای دیوارهای شفاف بود تا امکان دسترسی کامل بصری را فراهم کند.
همچنین از یک تجسم جریان دار پیشرفته استفاده کرد تا به فیزیکدانان این اجازه را بدهد تا با ردیابی حرکت میلیونها ذره فلورسنت معلق، جریان ها را بازسازی کنند. در حالت موازی روشهای عددی پیشرفته برای محاسبه راه حل هایی تکراری در زمینه معادلات دیفرانسیل جزئی (مانند معادله ناویر-استوکس) که در زمینه جریان های سیالات مورد آزمایش قرار میگیرند، استفاده شد.
کاملا مشخص است که جریان های سیال مجموعه ای از الگو ها را نشان میدهند، در این زمینه این سیالات ساختار های منسجم نامیده میشوند، ساختار های منسجمی که مشخصاتی کاملا منحصر به فرد دارند اما به طور کاملا تصادفی پیدا و بعد ناپدید میشوند. دانشمندان با تجزیه و تحلیل این نوع از داده های عددی خود دریافتند که این الگوهای جریان و تکامل آنها شبیه آن داده هایی است که توسط راهحلهای ویژه محاسبه شده و سپس توصیف شدهاند. این راه حل های منحصر به فرد هم تکراری و هم ناپایدار هستند. این به آن معنی است که الگو های جریان در فواصل زمانی کوتاه تعریف میشوند. سیالات این راه حل ها را یکی پس از دیگری دنبال میکنند و توضیح میدهند که راه حل ها در چه ترتیب و ظاهری وجود دارند.
به گفته گریگوریف : تمام راه حل هایی که در زمینه این محاسبات هندسی کشف کردیم شبه دوره ای بودند به آن معنا که توسط دو فرکانس جدا مشخص میشوند.
یک فرکانس چرخش کلی الگوی جریان را حول محور تقارن توصیف میکند. فرکانس دیگر تغییرات در الگوی جریان ها را در یک قاب مرجع که همزمان با الگو می چرخد توصیف میکند. جریان های متناظر به صورت دوره ای در این قاب های چرخشی همزمان تکرار می شوند. به گفته گریگوریف : ما جریان های سیالات را در آزمایش ها و شبیه سازی هایی عددی، به طور مستقیم با راه حل های مکرر گفته شده مقایسه کردیم و فهمیدیم که تا زمانی که جریان این سیالات ادامه دارد راه حل های مکرر یکی پس از دیگری بوجود میآیند. رفتارهای کیفی این چنینی برای سیستمهای هرج و مرجی که کم بعد هستند، مانند مدل معروف لورنز، که شش دهه پیش بهعنوان یک مدل بسیار ساده از جو استخراج شد، پیشبینی شدند.
این مطالعات اولین مشاهدات تجربی در زمینه راه حل های بازگشتی سیالات را در زمینه جریان های ذکر شده نشان میدهند. به گفته گریگوریف : البته دینامیک جریان های سیالات به دلیل ماهیت مکرر و شبه دوره ای که دارند بسیار پیچیده تر هستند.
همچنین محققان افزودند : با استفاده از این روش ما به طور قطع نشان داده ایم که سازماندهی سیالات در هر دو مکان و زمان توسط اینگونه ساختارها به درستی به تصویر کشیده شده است. این نتایج پایه و اساس سیالات را از نظر ساختار های منسجم و استفاده متداوم از آن ها برای غلبه بر اثرات مخرب هرج و مرج ها در زمینه کنترل و مهندسی این نوع سیالات ایجاد میکنند.
یک بنیاد دینامیکی جدید برای جریان های سیال سه بعدی
طبق گفته گریگوریف : این یافته ها بر جامعه مهندسان، فیزیکدانان و ریاضی دانان تاثیر ویژه ای میگذارد و همین طور افرادی که هنوز در تلاش برای درک جریان های سیالات هستند. که شاید این مشکل بزرگترین مشکل حل نشده در کل عالم باقی بماند. همچنین او افزود : این کار بر روی کارهای قبلی در مورد اغتشاش سیالات که توسط همان گروه که برخی از آنها در دانشگاه گرجستان در سال 2017 گزارش شده اند، ساخته و گسترش مییابد. بر خلاف مقاله موجود در آن نشریه، که بر جریانهای سیال دو بعدی ایدهآل متمرکز بود، تحقیق موجود به جریان های سه بعدی و پیچیده تری میپردازد.
در نهایت تحقیقات این تیم یک پایه ریاضی برای سیالات ایجاد میکند که ماهیت آن به جای آماری، دینامیکی است. بنابراین این قابلیت را دارد که پیش بینی های کمتری را انجام دهد که این نوع پیش بینی های کم برای کاربردهای متنوع بسیار مهم هستند.
گریگوریف همینطور افزود : این میتواند به ما این توانایی را بدهد که آب و هوا را با دقت بیشتری پیش بینی کنیم و به طور چشم گیری دقت خود در پیش بینی رویداد های شدید مانند طوفان ها و گردباد ها را افزایش دهیم. یک چهارچوب پویا همراه با جریان های مهندسی دلخواه ضروری است. به عنوان مثال : کاهش استفاده وسایل نقلیه از سوخت و یا افزایش حمل و نقل انبوه برای کمک به حذف بیشتر دی اکسید کربن موجود در جو که از طریق صنعت ها جذب مستقیم هوا میشوند.
مرجع ها : سیالات راه حل های مکرر را دنبال میکنند توسط کریستوفر جی. کراولی، جاشوا ال. پوه-سنفورد، وسلی تولر، مایکل سی. کرایگر، رومن او. گریگوریف و مایکل اف. شاتز، 19 اوت 2022، مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم .
گرد اوری شده توسط موسسه فناوری گرجستان 5 سپتامبر 2022