Physicists uncover new dynamical framework for turbulence

Physicists uncover new dynamical framework for turbulence

L’expérience des chercheurs comportait des parois transparentes pour permettre un accès visuel complet et utilisait une visualisation de flux de pointe. Crédit : Photo : Michael Schatz

La turbulence joue un rôle clé dans notre vie quotidienne, provoquant des trajets en avion cahoteux, affectant les conditions météorologiques et climatiques, limitant l’efficacité énergétique des voitures que nous conduisons et ayant un impact sur les technologies d’énergie propre. Cependant, les scientifiques et les ingénieurs se demandent depuis longtemps comment prédire et modifier les écoulements de fluides turbulents, et cela a longtemps été l’un des problèmes les plus difficiles en science et en ingénierie.

Maintenant, les physiciens du Georgia Institute of Technology ont montré, numériquement et expérimentalement, que la turbulence peut être comprise et quantifiée à l’aide d’un ensemble relativement petit de solutions spéciales aux équations régissant la dynamique des fluides qui peuvent être précalculées à une géométrie particulière. une fois pour toutes.

“Pendant près d’un siècle, la turbulence a été statistiquement décrite comme un processus aléatoire”, a déclaré Roman Grigoriev. “Nos résultats fournissent la première illustration expérimentale que, sur des échelles de temps suffisamment courtes, la dynamique de la turbulence est déterministe et la relie aux équations gouvernantes déterministes sous-jacentes.”

Les conclusions ont été publiées dans Actes de l’Académie nationale des sciences le 19 août 2022. L’équipe de chercheurs était dirigée par Grigoriev et Michael Schatz, professeurs à la Georgia Tech School of Physics qui ont collaboré à divers projets de recherche au cours des deux dernières décennies.

Schatz et Grigoriev ont été rejoints dans l’étude par les étudiants diplômés du College of Physics Chris Crowley, Joshua Pughe-Sanford et Wesley Toler, ainsi que par Michael Krygier, chercheur postdoctoral aux Sandia National Laboratories, qui a développé les solveurs numériques de l’étude en tant qu’étudiant diplômé. en Géorgie Technologie.

Des physiciens découvrent un nouveau cadre dynamique pour la turbulence

La configuration a permis aux chercheurs de reconstituer le flux en suivant le mouvement de millions de particules fluorescentes en suspension. Crédit : Photo : Michael Schatz

Une nouvelle “feuille de route” pour la recherche sur la turbulence

Prédire quantitativement l’évolution des écoulements turbulents, et en fait presque toutes leurs propriétés, est assez difficile. “La simulation numérique est la seule approche de prédiction fiable existante”, a déclaré Grigoriev. “Mais cela peut être terriblement coûteux. Le but de nos recherches était de rendre la prédiction moins coûteuse.”

Les chercheurs ont créé une nouvelle “carte routière” de la turbulence en examinant un faible écoulement turbulent confiné entre deux cylindres en rotation indépendante, donnant à l’équipe un moyen unique de comparer les observations expérimentales avec des écoulements calculés numériquement, en raison de l’absence d'”effets finaux”. qui sont présents dans des géométries plus familières, telles que l’écoulement à travers un tuyau.

“La turbulence peut être considérée comme une voiture suivant une séquence de trajectoires”, a déclaré Grigoriev. “Peut-être une analogie encore meilleure est un train, qui non seulement suit un chemin de fer selon un horaire prescrit, mais a également la même forme que le chemin de fer qu’il suit.”

L’expérience comportait des parois transparentes pour permettre un accès visuel complet et utilisait une visualisation de flux de pointe pour permettre aux chercheurs de reconstruire le flux en suivant le mouvement de millions de particules fluorescentes en suspension. En parallèle, des méthodes numériques avancées ont été utilisées pour calculer des solutions récursives de l’équation aux dérivées partielles (équation de Navier-Stokes), qui régissent les écoulements de fluide dans des conditions qui correspondent exactement à l’expérience.

Il est bien connu que les écoulements fluides turbulents présentent un répertoire de motifs, appelés “structures cohérentes” dans le domaine, qui ont un profil spatial bien défini mais apparaissent et disparaissent de manière apparemment aléatoire. En analysant leurs données expérimentales et numériques, les chercheurs ont découvert que ces schémas d’écoulement et leur évolution ressemblent à ceux décrits par les solutions spéciales qu’ils ont calculées. Ces solutions spéciales sont récursives et instables, ce qui signifie qu’elles décrivent des modèles de flux répétitifs dans de courts intervalles de temps. La turbulence suit une solution après l’autre, ce qui explique quels modèles peuvent apparaître et dans quel ordre.

Des physiciens découvrent un nouveau cadre dynamique pour la turbulence

Un aperçu des recherches des physiciens. Crédit : Michael Schatz, Roman Grigoriev.

Des solutions récurrentes, deux fréquences

“Toutes les solutions récurrentes que nous avons trouvées dans cette géométrie se sont avérées quasi-périodiques, c’est-à-dire caractérisées par deux fréquences différentes”, a déclaré Grigoriev. Une fréquence décrit la rotation globale du modèle d’écoulement autour de l’axe de symétrie du flux, tandis que l’autre décrit les changements de forme du modèle d’écoulement dans un cadre de référence qui tourne avec le modèle. Les flux correspondants sont périodiquement répétés dans ces trames co-rotatives.

“Nous avons ensuite comparé les écoulements turbulents dans les expériences et les simulations numériques directes avec ces solutions récurrentes et avons constaté que la turbulence suivait de près (suivait) une solution récurrente après l’autre, tant que l’écoulement turbulent persistait”, a déclaré Grigoriev. “De tels comportements qualitatifs ont été prédits pour des systèmes chaotiques de faible dimension, tels que le célèbre modèle de Lorenz, dérivé il y a six décennies en tant que modèle hautement simplifié de l’atmosphère.”

Le travail représente la première observation expérimentale de solutions de suivi de mouvement chaotiques récurrentes réellement observées dans des écoulements turbulents. “La dynamique des écoulements turbulents est bien sûr beaucoup plus compliquée en raison de la nature quasi-périodique des solutions récurrentes”, a ajouté Grigoriev.

“En utilisant cette méthode, nous montrons de manière concluante que l’organisation de la turbulence à la fois dans l’espace et dans le temps est bien capturée par ces structures”, ont déclaré les chercheurs. “Ces résultats jettent les bases pour représenter la turbulence en termes de structures cohérentes et exploiter sa persistance dans le temps pour surmonter les effets dévastateurs du chaos sur notre capacité à prédire, contrôler et concevoir des flux de fluides.”

Une nouvelle base dynamique pour les écoulements de fluides 3D

Ces découvertes ont un impact plus immédiat sur la communauté des physiciens, mathématiciens et ingénieurs qui tentent encore de comprendre la turbulence des fluides, qui reste “peut-être le plus gros problème non résolu de toute la science”, a déclaré Grigoriev.

“Ce travail s’appuie sur et étend les travaux antérieurs sur la turbulence des fluides du même groupe, dont certains ont été signalés à Georgia Tech en 2017”, a-t-il ajouté. “Contrairement aux travaux discutés dans cette publication, qui se concentraient sur les écoulements de fluides bidimensionnels idéalisés, la recherche actuelle porte sur les écoulements tridimensionnels plus compliqués et pratiquement importants.”

En fin de compte, l’étude de l’équipe établit une base mathématique pour la turbulence des fluides qui est de nature dynamique, plutôt que statistique, et a donc la capacité de faire des prédictions quantitatives, qui sont cruciales pour une variété d’applications.

“Cela peut nous donner la capacité d’améliorer considérablement la précision des prévisions météorologiques et, surtout, de permettre la prédiction d’événements extrêmes tels que les ouragans et les tornades”, a déclaré Grigoriev. “Le cadre dynamique est également essentiel pour notre capacité à concevoir des flux avec les propriétés souhaitées, par exemple en réduisant la traînée autour des véhicules pour améliorer l’efficacité énergétique ou en améliorant le transport de masse pour aider à éliminer plus de dioxyde de carbone de l’atmosphère.” dans l’industrie émergente de la capture directe de l’air.


Des chercheurs révèlent des caractéristiques multi-échelles de l’hélicité dans les écoulements turbulents liés aux parois


Plus d’informations:
Christopher J. Crowley et al, Turbulence Tracks Recurring Solutions, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2120665119

Fourni par le Georgia Institute of Technology

Citation: Physicists Uncover New Dynamical Framework for Turbulence (2022, 29 août) Récupéré le 31 août 2022 sur https://phys.org/news/2022-08-physicists-uncover-dynamical-framework-turbulence.html

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