Doğada türbülans, su, hava ve plazma gibi sıvılarda gelişen karmaşık, zamana bağlı ve mekansal olarak değişen dalgalanmaları ifade eder. Yeryüzündeki atmosferik ve okyanus akımlarından, yıldız ve galaksilerdeki yıldızlararası gaza ve hatta insan arterlerindeki jet motorlarında ve kan akışında çok çeşitli ölçek ve sistemlerde görünen evrensel bir fenomendir.
Türbülans sadece kaotik değildir; Aksine, büyük ölçekli yapılara organize edebilen veya zaman içinde tutarlı akış modelleri üretebilen etkileşen girdapların gelişen bir hiyerarşisinden oluşur.
Nükleer füzyon plazmalarında türbülans, termal enerjinin hapsedilmesinin ve yakıt parçacıklarının karıştırılmasının düzenlenmesinde önemli bir rol oynar, böylece füzyon reaktörlerinin performansını doğrudan etkilemektedir. Basit sıvı türbülansından farklı olarak, plazma türbülansı, yoğunluk, sıcaklık, manyetik alanlar ve elektrik akımları gibi çoklu fiziksel alanların eşzamanlı evrimini içerir.
Bu miktarlar iç içe geçerek, birden fazla akış ve girdapın karmaşık bir şekilde dolaştığı bir durum oluşturur. Bu tür karmaşık, çok alanlı türbülansın temel mekanizmalarını anlamak ve çözmek, gelecekteki füzyon reaktörlerinin kontrolü ve optimizasyonu için gereklidir.
Geleneksel olarak, plazma türbülansı çalışmaları, bireysel fiziksel miktarların dalgalanmalarını analiz etmeye odaklanmıştır. Standart bir yöntem, türbülansın uzamsal olarak düzgün dalgaların süperpozisyonuna ayrılmasını ve daha sonra dalgalanma enerjisinin ölçekler arasında dağılımını ve aktarılmasını incelemeyi içerir.
Bununla birlikte, bu dalga bazlı ayrışma, türbülans lokalize girdap yapıları oluşturduğunda veya birden fazla saha miktarı güçlü bir şekilde etkileşime girdiğinde yetersiz hale gelir. Bu nedenle, yerelleştirilmiş yapıları yakalayabilen ve çoklu dalgalanan alanların iç içe davranışını birleşik ve fiziksel olarak anlamlı bir şekilde ortaya çıkarabilen yeni bir analiz çerçevesine artan bir ihtiyaç olmuştur.
Plazma türbülansında girdapların ve akışların nasıl ortaya çıktığını, yerelleştirildiğini ve etkileşime girdiğini araştırmak için, Ulusal Füzyon Bilimleri Enstitüsü’nden (teslim sırasında Sokendai’de lisansüstü bir öğrenci) ve Doazwa Üniversitesi’nden Doçent Motoki Nakata’ya (Riken Ithems’teki Riken Ithems’teki ziyaretçi bir araştırmacı geliştirdi. (MFSVD).
Bu teknik, tekil değer ayrışmasının matematiksel çerçevesini çoklu fiziksel miktarlara genişleterek, karmaşık türbülansın yoğunluk, sıcaklık ve elektrik potansiyeli gibi farklı alanlarda ilişkili dalgalanmaları yakalayan bir dizi yaygın uzamsal modele (veya baz) ayrışmasını sağlar.
Çalışma şurada yayınlandı Fiziksel İnceleme Araştırması.
MFSVD, bu çok değişkenli dalgalanmaların, girdaplar ve büyük ölçekli akışlar gibi türbülanslı yapıların oluşumunu ve evrimini birleşik bir perspektiften toplu olarak nasıl yönlendirdiğini analiz etmeyi mümkün kılar.
MFSVD aracılığıyla çıkarılan paylaşılan mekansal modlardan, araştırmacılar ayrıca bilgi entropisine dayalı iki yeni önlem, başlangıçta kuantum mekaniği ve kuantum bilgi teorisine dayanan kavramlar tanımladılar.
Birincisi, türbülanslı dalgalanmaların yapısal karmaşıklığını ve çeşitliliğini ölçen von Neumann entropisidir (VNE). İkincisi, farklı türbülanslı yapılar arasında birleştirme derecesini – veya “dolaştırma” derecesini ölçen dolaşma entropisidir (EE), ne kadar güçlü etkileştiklerini gösteriyor.
Her iki miktar her iki miktar, kuantum teorisinde muadiline paralel olan, kuantum durumları ve çalkantılı sistemler arasında doğal ve güçlü bir benzetme gösteren matematiksel olarak oluşturulmuş bir yoğunluk matrisinden türetilmiştir.
Bu bilgi teorik miktarlarını bir plazma türbülans modelinin sayısal simülasyonlarına uygulayarak, araştırma ekibi, türbülans durumlarında daha önce gözden kaçan bir geçiş tespit etti-geleneksel enerji temelli analiz yoluyla tespit edilemedi.
Bu yeni keşfedilen geçiş, büyük enerji akışlarının perde arkasında meydana gelen kolektif girdap kalıplarında ani bir değişimi yansıtır. Bu tür örüntü geçişleri makroskopik akış stabilitesini önemli ölçüde etkileyebilir ve bu nedenle plazma hapsini ve taşıma süreçlerini anlamak için kritiktir.
Dahası, dolaşma entropisi, ekibin, belirli desenlerin ne zaman ve ne zaman enerji veya dalgalanmaları başkalarına aktardığı gibi ayrıntılı etkileşimleri tek bir ölçüyle ifade etmesine izin verdi. Geleneksel analizde, bu tür dinamiklerin yakalanması geniş veri kümelerinin incelenmesini gerektirecektir.
Buna karşılık, bu entropi tabanlı miktarlar, doğrusal olmayan türbülanslı etkileşimlerin temel özelliklerinin damıtılabileceği ve verimli bir şekilde incelenebileceği yeni bir lens sunar.
Bu çalışmada önerilen yaklaşım – türbülans geçişlerini ve etkileşimleri bilgi entropi açısından analiz etmek – sadece sayısal simülasyon verilerini yorumlamak için değil, aynı zamanda deneysel ölçümlere uygulama için söz vermektedir.
Sadece sınırlı sayıda sensörün veya teşhis aracının mevcut olduğu durumlarda bile, bu yöntem “temel türbülans özelliklerini yakalamak için ne kadar ölçüm verilerinin yeterli olduğunu” ve “gözlem için hangi girdap yapılarına öncelik verilmesi gerektiğini” belirlemek için güçlü bir kılavuz olarak hizmet edebilir.
Önemli olarak, burada geliştirilen entropi tabanlı çerçeve plazma türbülansı ile sınırlı değildir. Atmosferik ve okyanus bilimleri, trafik ve ulaşım ağları ve sosyal sistemlerde olduğu gibi birçok fiziksel miktarda çok ölçekli akışlar ve birleştirilmiş dalgalanmalar içeren çok çeşitli karmaşık sistemler için geçerli olması beklenmektedir.
İleriye baktığımızda, araştırma ekibi, kuantum bilgi teorisindeki türbülansta bilgi entropi ve ilkeler arasındaki teorik yazışmaları derinleştirmeyi ve aynı zamanda bu yöntemlerin gerçek dünya ölçüm verilerine uygulanmasını ilerletmeyi amaçlamaktadır.
Hem enerjinin hem de bilginin bakış açılarını birleştirerek, bu çalışma türbülansın temel dinamiklerini ve diğer karmaşık fenomenleri anlamaya yönelik yeni bir yol açar.
