Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Johns Hopkins Üniversitesi ve Duke Üniversitesi’nden uluslararası araştırmacılardan oluşan bir ekip, sıvılarda türbülansı tanımlayan asırlık bir teorinin de çok kabarcıklı bir sorun için geçerli olduğunu keşfetti: yükselen kabarcıklar etraflarındaki suyu nasıl karıştırıyor.
3D’deki ayrı kabarcıkları ve sıvı parçacıklarını izleyen deneyleri, Kolmogorov ölçeklendirmesinin kabarcık kaynaklı türbülansta ortaya çıkabileceğine dair ilk doğrudan deneysel kanıtları sağlar. Sonuçlar şurada yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları.
Kabarcık kaynaklı türbülans birçok yerde gerçekleşir: karbonatlı içeceklerden endüstriyel karıştırma süreçlerine, çökmekte olan okyanus dalgalarına kadar. Bir sıvıdan yeterli kabarcıklar yükseldiğinde, uyanmaları çevredeki sıvıyı karmaşık, çalkantılı bir harekete karıştırır. Bu kaosun arkasındaki kuralları anlamak, endüstriyel tasarımları, iklim modellerini ve daha fazlasını geliştirmek için gereklidir.
Yine de, merkezi bir soru uzun süredir şaşkın araştırmacılara sahiptir: 1941’de Rus matematikçi Andrey Kolmogorov tarafından türetilen matematiksel türbülans teorisi – “K41 ölçeklendirme” olarak bilinebilir – kabarcıkların harekete geçtiği akışlara başvurabilir mi? Şimdiye kadar, çelişkili deneysel ve bilgisayar simülasyon sonuçları cevabı belirsiz hale getirdi.
HZDR’deki Fluid Dynamics Enstitüsü’nün çalışmasının ve fizikçi baş yazarı Dr. Tian Ma, “Kabarcıklar arasındaki ve çevresindeki türbülansa çok küçük ölçeklerde kesin bir cevap almak istedik” diyor. Bunu başarmak için, araştırmacılar her iki aşamayı her iki aşamada gelişmiş 3D eşzamanlı Lagrange izlemesini kullandılar – bilim adamlarının çevreleyen sudaki hem kabarcıkları hem de küçük izleyici parçacıklarını yüksek hassasiyetle ve gerçek zamanlı olarak takip etmelerini sağlayan bir teknik.
Deney kurulumu, alttan kontrollü kabarcık sürülerinin enjekte edildiği 11.5 cm genişliğinde bir su sütunu içeriyordu. Dört yüksek hızlı kamera eylemi saniyede 2.500 kare kaydetti.
Gerçekçi kabarcıklı akışları çoğaltmak için kabarcık boyutunu ve gaz miktarını değiştiren dört farklı vakayı incelediler. Önemli olarak, 3 ila 5 milimetre çapında kabarcıklar, yükseldikçe sallanacak kadar büyüktü ve güçlü çalkantılı uyanmalar yarattı. Dört vakadan ikisinde – orta derecede kabarcık boyutu ve yoğunluğuna sahip olanlar – akıştaki türbülans, Kolmogorov’un küçük ölçeklerde tahminlerini, yani baloncukların boyutundan daha küçük girdaplar için yakından takip etti. Bu, bu tür ölçeklendirmenin ilk kez bir kabarcık sürüsünün ortasında deneysel olarak doğrulandığını işaret eder.
Türbülans kodunun çözülmesi: Büyükden küçükten küçük ve
“Kolmogorov’un teorisi zariftir. Büyük çalkantılı girdaplardan daha küçük ve daha küçük olanlara doğru ilerleyen enerjinin-sonunda viskoz etkilerle dağılana kadar-çalkantılı sıvı hareketinin dalgalanmalarını kontrol eder.” Diyerek şöyle devam etti: “Bu teorinin kabarcık güdümlü türbülansı bu kadar iyi tanımladığını bulmak hem şaşırtıcı hem de heyecan verici.”
Ekip ayrıca, türbülansın enerji dağılma oranı olarak bilinen viskoz etkiler nedeniyle enerji kaybetme oranını tahmin etmek için yeni bir matematiksel formül geliştirdi. Sadece kabarcıkla ilgili iki parametreye bağlı olan formülleri-büyüklüğüne ve baloncukların ne kadar yoğun bir şekilde paketlendiğini-deneysel verileri oldukça iyi eşleştirdi. İlginç bir şekilde, Kolmogorov ölçeklendirmesinin baloncukların doğrudan uyanıklarının dışındaki bölgelerde daha güçlü olduğunu buldular. Bu uyanışlarda, sıvı o kadar güçlü bir şekilde rahatsız olur ki, klasik türbülanslı enerji kaskadı aşırı güçlenir.
Önemli bir içgörü, klasik Kolmogorov “Atalet aralığı” için-ölçeklendirme yasalarının en iyi şekilde çalıştığı-kabarcık kaynaklı türbülansta açıkça görünmek için kabarcıkların önemli ölçüde daha büyük olması gerektiğiydi. Ancak bir yakalama var: gerçekte, bu tür büyük boyutlarda kabarcıklar kendi istikrarsızlıkları nedeniyle parçalanır.
Bu, K41 teorisinin kabarcıklı akışlara ne kadar iyi uygulanabileceğinin temel bir sınır olduğu anlamına gelir. Deneyleri gerçekleştiren çalışma konusunda ortak yazarı Dr. Hendrik Hesenkemper, “Bir bakıma, doğa, kabarcıklarla mükemmel Kolmogorov türbülansını almamızı engelliyor. Ancak doğru koşullar altında, şimdi yaklaştığını biliyoruz” diyor.
Bulgular sadece devam eden bir bilimsel tartışmayı çözmekle kalmaz, aynı zamanda mühendislerin kimyasal reaktörlerden atık su arıtımına kadar daha iyi tasarlamaya yardımcı olabilir. Ve fizikçiler için, Kolmogorov’un 1941 teorisinin şaşırtıcı derecede sağlam olduğu kaotik fenomenlerin büyüyen kaotik fenomen listesine başka bir sistem – sübvansiyon akıyor – ekliyor.
Araştırmacılar, çalışmalarının sadece başlangıç olduğunu vurgulamaktadır. Gelecekteki çalışmalar, türbülansın daha karmaşık kabarcık şekilleri, kabarcık karışımları veya farklı yerçekimi veya sıvı koşulları altında nasıl davrandığını araştırabilir.
MA, “Kabarcıklı akışlarda türbülansın temel kurallarını ne kadar çok anlarsak, onları gerçek dünya uygulamalarında o kadar iyi kullanabiliriz” diyor. Diyerek şöyle devam etti: “Ve 80 yıldan fazla bir teorinin böyle kabarcıklı bir ortamda durmaya devam etmesi oldukça şaşırtıcı.”
