Ученые из Окинавского института науки и технологий доказали, что теория турбулентности, Андрея Колмогорова универсальна.
Колмогоров в 1941 году предложил модель — энергетический каскад. Крупный вихрь распадается на все более мелкие — до тех пор, пока энергия не превращается в тепло. Их поведение описывается простыми уравнениями, а энергия делиться по универсальному закону — «-5/3».
Но потоки Тейлора–Куэтта, возникающие между двумя вращающимися цилиндрами, как казалось, не подчинялись универсальному закону Колмогорова.
Теперь исследователи, после девяти лет работы над уникальной экспериментальной установкой, доказали, что Колмогоров был прав и здесь.
«Это противоречие бросалось в глаза всем, кто занимается гидродинамикой. Теперь оно снято, и наша установка задает новую точку отсчета для исследований турбулентности», — отметил руководитель работы профессор Пинаки Чакраборти.
Созданная установка позволяет вращать цилиндры со скоростью тысячи оборотов в минуту и измерять мельчайшие вихри в жидкости при экстремальных значениях числа Рейнольдса — показателя «хаотичности» потока.
«Если анализировать энергию вихрей традиционным способом, закон Колмогорова действительно не работает, — объяснил ведущий автор статьи Хулио Баррос. — Но когда мы учли влияние самых маленьких вихрей, где энергия уже превращается в тепло, и пересчитали данные по расширенной формулировке Колмогорова, все идеально совпало. Универсальность восстановлена».
Это открытие снимает одно из старейших противоречий в теории турбулентности и открывает новые возможности для изучения сложных потоков — от погоды и океанов до процессов в протопланетных дисках.
Опубликовано в журнале Science Advance.