Загадочная турбулентность…

Картинки по запросу турбулентность
Турбулентность обычно связывают со сложностями хаотического движения жидкости, газа или сыпучих тел. Но в реальности все атомы и молекулы тел находятся в движении, которое иначе как турбулентным назвать нельзя. Турбулентность возникает как бы самопроизвольно и связать её с воздействием каких-либо причин не удаётся. Почему одна струя движется быстрее другой и каждая струя своеобразно искривляется описать уравнениями ни одному спецу квантовой механики не удалось, хотя это сделать пытались такие «гиганты квантовой мысли» как Вольфганг Паули, Ханс Бете, Вернер Гейзенберг, Ричард Фейнман.

Хотя нет математических решений уравнений для потоков жидкости в реальных условиях, их попытались моделировать на компьютере. Этот процесс назвали вычислительная жидкостная динамика (CFD). Сначала применяли простые численные методы, чтобы попытаться получить хотя бы приближенные решения уравнений Навье-Стокса. Это предполагает разделение пространства на сетку (очень маленькие площади, соизмеримые с точками), и вычисление переменных жидкости (давление, скорость) в каждом отдельном промежутке. Большой диапазон пространственных масштабов делает этот подход чрезвычайно дорогим: так как в основном необходимо найти решение, в котором функции потока точны, для огромных площадей (труб, тысячи километров циклонов). Даже если брать в расчет масштабы, измеримые сантиметрами, или даже миллиметрами, все равно понадобятся миллионы точек.

Сошлись на абстрагировании процесса течения жидкости приняв, что в областях, далеких от твердых объектов и других помех, поток будет считаться однородным, медленно изменяющийся как в пространстве, так и во времени. Вся турбулентность якобы сосредоточена вокруг объектов или взаимодействий.

Самым успешным признали метод, называемый «сглаженной гидродинамикой частиц», который моделирует поток жидкости как совокупность перемещающихся частиц.

Несмотря на впечатляющие возможности вычислять сложные потоки благодаря компьютерам, поиск лучшего теоретического обоснования турбулентности продолжается. Известны лишь некоторые точные решения уравнений Навье-Стокса; они описывают простые, ламинарные потоки (не турбулентные потоки любого рода). Для потоков в трубе или же между двумя плоскими пластинами, их скорость будет равняться нулю на границах и увеличиваться с приближением к середине. Это параболическое очертание потока является решением, кроме того, оно действительно при любой скорости. Однако, хоть такое решение и работает на низких скоростях, опыт показывает, что при достижении «критической» отметки поток распадается.

Хоть уравнению Навье-Стокса почти два столетия, его точных решений нет, но математики верят, что они могут их когда-нибудь найти. Манит их и «Премия тысячелетия», миллион долларов, за решение проблемы турбулентности как одной из семи нерешенных математических задач.

Впрочем, там где начинаются уравнения математики реальный мир заканчивается. Физик, то есть человек изучающий природу, должен понять откуда внутри стационарного потока жидкости или газа у отдельных струй вдруг возникает энергия большая, чем у таких же струй движущихся рядом. Понятное дело, раз при этом энергия всего движущегося потока не изменяется, то конкретная струя отнимает энергию у соседних струй. Но как реально это происходит?

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *