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Turbulenzen sind schwer zu kontrollieren, aber ein turbulenter Klumpen, der mithilfe von Wirbelringen erzeugt wird, liefert grundlegende Einblicke in diesen schwer fassbaren Zustand der Materie.
Turbulenzen, eine äußerst unregelmäßige Flüssigkeitsbewegung, die durch chaotische Änderungen in Größe und Richtung der Strömungsgeschwindigkeit gekennzeichnet ist, treten in einer Vielzahl physikalischer Szenarien auf, die sich über verschiedene Maßstäbe erstrecken – vom Wirbel der Luftströmungen, die die Tragflächen eines Flugzeugs umgeben, bis hin zur Bewegung interstellarer Luftströme Gas in Galaxien.
Die analytische Beschreibung der Flüssigkeitsbewegung ist sehr schwierig, da alle in der Strömung auftretenden Schwankungen miteinander interagieren, ihre Bewegung verändern und die Gesamtströmung sehr unvorhersehbar machen. Dies hat die Entwicklung theoretischer Methoden zur Berechnung der Eigenschaften turbulenter Strömungen sehr erschwert und uns daran gehindert, diese physikalischen Prozesse effektiv zu untersuchen. Selbst die leistungsstärksten Supercomputer können das Verhalten einer turbulenten Flüssigkeitsströmung nicht genau simulieren.
Dies hat dazu geführt, dass Laborexperimente der wichtigste Ansatz zur Untersuchung von Turbulenzen sind, aber auch hier tritt ein Problem auf. In Experimenten treten Turbulenzen häufig auf, wenn eine Flüssigkeit mit verschiedenen Strukturen wie Wänden, Rohren, Gittern oder rotierenden Platten interagiert. Dies macht es schwierig, die Energie, den Impuls und die Rotation zu kontrollieren, die durch diese Grenzen der turbulenten Strömung erzeugt werden. Wissenschaftler haben daher erkannt, wie wichtig es ist, Turbulenzen außerhalb der physikalischen Grenzen der Versuchsapparatur zu erzeugen, um deren Eigenschaften genauer zu untersuchen.
„Turbulenzen gibt es überall. „Kaffee mit einem Löffel umzurühren ist ein gutes Beispiel“, sagten Takumi Matsuzawa, ein Doktorand an der University of Chicago, und William Irwin, sein Betreuer und Professor an derselben Universität. „Dennoch ist die Manipulation dieser vergänglichen Phase der Materie nicht so einfach wie bei den anderen herkömmlichen Phasen der Materie, etwa Feststoffen und Flüssigkeiten.“
„In vielen Fällen verdecken die Materialgrenzen, wie der Löffel im vorherigen Beispiel, was die Turbulenzen gespeist haben“, fügte Irwin hinzu. „Das führte uns zu der Frage, ob es möglich ist, einen isolierten Turbulenzklumpen zu erzeugen und ihn an Ort und Stelle zu halten.“
Ein turbulenter Klecks gibt Antworten
Um dies zu erreichen, schlugen Matsuzawa, Irwin und ihre Kollegen eine neue Methode zur Erzeugung eines isolierten turbulenten „Kleckses“ mithilfe von Flüssigkeitswirbelringen vor, deren Kollision zur Bildung eines Bereichs chaotischer Flüssigkeitsbewegung führt.
„Unser vorgeschlagener Ansatz besteht darin, Turbulenzen zu erzeugen, indem wir wie Legosteine einen Wirbel nach dem anderen platzieren“, sagte Irvine in einem Kommentar Pressemitteilung. „Niemand weiß wirklich, was ein Wirbel ist, aber ein Wirbelring, auch Rauchring genannt, ist ein guter Kandidat, da es sich um eine robuste Flüssigkeitsstruktur handelt und sich weit über die materiellen Grenzen hinaus bewegen kann. Darüber hinaus können seine Eigenschaften vollständig gemessen werden, sodass wir wissen, was wir in Turbulenzen einspeisen.“
Allerdings gab es in den vorherigen Studien ein Problem: Als die Forscher die Ringe kollidierten, die durch das impulsive Ansaugen von Wasser durch Öffnungen in Wassertanks entstanden, traten die Turbulenzen nur für sehr kurze Zeit auf – fast unmittelbar nach der Kollision traten die ursprünglichen Ringe auf rekombinierten sich zu kleineren Ringen, die sich nach außen und vom Kollisionsbereich weg bewegten, was zum Verschwinden der Turbulenzen führte.
In eine aktuelle Studie veröffentlicht in NaturphysikDas Team hat einen neuen Ansatz gewählt. Anstatt acht Ringe aus den Ecken eines kubischen Wassertanks abzufeuern, sendeten sie in sich wiederholenden Abständen mehrere Sätze von acht Ringen aus, sodass die ausgehenden Ringe mit den eingehenden Ringen interagieren konnten. Dieser Ansatz zahlte sich aus, denn als die Ringe eine Frequenz von mehreren Ringsätzen pro Sekunde erreichten, hatten sie keine Zeit, den Kollisionsbereich zu verlassen, und bildeten zusammen mit der ankommenden Gruppe von Ringen einen stabilen Tropfen turbulenter Flüssigkeit.
„Unser Ansatz bietet einzigartige Designprinzipien zur Lokalisierung, Positionierung und Kontrolle von Turbulenzen“, sagte Irvine. „Die Eigenschaften des Kleckses werden durch die der Wirbelringe bestimmt; die Größe wird durch den Ringradius bestimmt; Die Intensität der inneren Turbulenz wird durch die von den Ringen getragene Energie bestimmt. Wenn wir helikale Schleifen kombinieren, könnten wir auch die anderen Erhaltungsgrößen wie Winkel injizieren [momentum] und Helizität, deren Rolle bei Turbulenzen nicht genau bekannt ist.“
Zukünftige Studien
Obwohl diese Leistung an sich schon bahnbrechend ist, haben die Wissenschaftler damit nicht aufgehört und sagen, dass sie mit ihrer neuen Methode weiterhin tiefer in die Untersuchung von Turbulenzen eintauchen.
„Wir untersuchen derzeit, wie sich Turbulenzen in einer ruhigen Umgebung frei entwickeln“, fuhr Irvine fort. „Das ist eine wichtige Frage, wie sich turbulente Schwankungen ausbreiten und abklingen. Wir sind auch daran interessiert zu untersuchen, wie Turbulenzen „vergessen“, was zugeführt wurde.
„Man geht davon aus, dass Turbulenzen im kleinen Maßstab universell sind, auch wenn die Wirbelstrukturen im Input unterschiedlich sind. Unser System wäre ideal, um dieses Gedächtnis in Turbulenzen zu untersuchen, indem es den Eingang durch die Kombination verschiedener Wirbelschleifen abstimmt.“
In Zukunft will das Team mit seiner Methode die grundlegendsten Fragen zur Natur turbulenten Verhaltens und der Wechselwirkung turbulenter Strömungen untersuchen.
„Einige der Fragen, die im Anschluss an unsere Studie untersucht werden könnten, umfassen: Was passiert an der Schnittstelle turbulenter und nichtturbulenter Strömungen?“ schloss Matsuzawa. „Wie werden Erhaltungsgrößen wie Energie und [momentum] über die Schnittstelle transportiert? Gibt es je nach Kombination der Erhaltungsgrößen unterschiedliche Arten von Turbulenzen?“
Referenz: Takumi Matsuzawa et al., Entstehung eines isolierten turbulenten Klumpens, der von Wirbelringen gespeist wirdNature Physics (2023), DOI: 10.1038/s41567-023-02052-0
Bildnachweis des Beitrags: TT auf Pixabay
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