Oavsett om det är blåsljud och rörledningstransport av olja, eller ojämna flygplan och spridning av föroreningar, turbulens spelar en viktig roll i många vardagliga händelser. Men trots att det är vanligt, forskare förstår fortfarande inte fullt ut det till synes oförutsägbara beteendet hos virvlar och virvlar i turbulenta flöden.

Nu, en ny teknik för att mäta turbulenta flöden har utvecklats av ett internationellt samarbete mellan forskare från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) i Japan, tillsammans med universitetet i Genova, Italien, KTH Stockholm, Sverige och ETH Zürich, Schweiz. Genom att använda fibrer snarare än partiklar – den vanliga mätmetoden – kunde forskarna få en mer detaljerad bild av turbulenta flöden. Deras metod rapporterades den 17 september i tidskriften, Fysisk granskning X .

"Turbulens är ett mycket unikt och komplicerat fenomen, det har till och med kallats det sista olösta problemet i klassisk fysik, " sa Dr Stefano Olivieri, en postdoktor från Complex Fluids and Flows Unit vid OIST, som var författare till studien. "Det är svårt att förutse, svårt att simulera, och svår att mäta."

Att mäta turbulenta flöden är en brådskande utmaning för fysiker av många anledningar. Inte bara kännetecknas turbulens av dess kaotiska och slumpmässiga natur, men det förekommer också över många skalor samtidigt. I turbulenta flöden, de virvlande virvlarna av vätska bryts ner till virvlar som är mindre och mindre i skala, tills virvlarna till slut är så små och trögflytande att vätskans kinetiska energi överförs till omgivningen som värme.

För närvarande, det vanligaste sättet att mäta turbulenta flöden är genom att spåra partiklars rörelse, kallas spårämnen, som tillsätts vätskan. Dessa partiklar är små och har liknande densitet som vätskan, och så rör sig med samma hastighet och i samma riktning som flödet.

Men för att observera hur varje virvel av vätska rör sig, Det räcker inte att titta på hur en partikel rör sig. Fysiker måste kunna avgöra hur två partiklar som ligger på ett visst avstånd från varandra rör sig i förhållande till varandra. Ju mindre virvel, desto närmare varandra måste de två partiklarna vara för att karakterisera virvelns rörelse.

För att göra saken mer utmanande, en av de definierande egenskaperna hos turbulens är dess diffusivitet - ett turbulent flöde kommer att spridas isär över tiden, och så kommer också spårämnena, speciellt i öppna flöden, som en havsström. I många fall, spårämnen kan snabbt spridas för långt ifrån varandra för att mäta hur virvlarna beter sig.

"Varje spårpartikel rör sig oberoende av varandra, så du behöver massor av spårpartiklar för att hitta de som är på rätt avstånd, " förklarade professor Marco Rosti, som leder OIST Complex Fluids and Flows Unit.

"Och för många spårpartiklar kan faktiskt störa flödet, " han lade till.

För att kringgå detta problem, forskargruppen utvecklade en innovativ och enkel lösning på problemet:att använda fibrer istället för spårpartiklar.

Forskarna skapade en datorsimulering där fibrer av olika längd lades till ett turbulent flöde. Dessa fibrer var stela, vilket höll ändarna på varje fiber på ett fast avstånd från varandra. Genom att spåra hur varje fiber rörde sig och roterade i vätskan över tiden, forskarna kunde bygga upp en bild som omfattade hela skalan och strukturen av det turbulenta flödet.

"Genom att använda styva fibrer, vi kan mäta skillnaden i hastighet och riktning på flödet vid två punkter på ett fast avstånd från varandra, och vi kan se hur dessa skillnader förändras beroende på virvelns skala. De kortaste fibrerna tillät oss också att noggrant mäta hastigheten med vilken vätskans kinetiska energi överförs från den största till den minsta skalan, där det sedan avleds av värme. Detta värde, kallad energiförlusthastighet, är en avgörande storhet i karakteriseringen av turbulenta flöden, sade Prof. Rosti.

Forskarna utförde också samma experiment i laboratoriet. De tillverkade två olika fibrer, en gjord av nylon och den andra av en polymer som kallas polydimetylsiloxan. Teamet testade båda dessa fibrer genom att lägga till dem i en vattentank som innehöll turbulent vatten och fann att fibrerna gav liknande resultat som simuleringen.

Dock, att använda stela fibrer kommer med en viktig varning, forskarna betonade, eftersom fiberändarnas totala rörelse är begränsad.

"På grund av fiberstyvheten, fiberändarna kan inte röra sig mot varandra, även om det är flödets riktning. Det betyder att en fiber inte helt kan representera flödets rörelse på samma sätt som spårpartiklar kan, " förklarade Dr. Olivieri. "Så innan vi ens började simuleringar eller labbexperiment, vi behövde först utveckla en lämplig teori som tog hänsyn till dessa begränsningar av rörelse. Det här var kanske den mest utmanande delen av projektet."

Forskarna mätte också samma turbulenta flöde i laboratoriet på konventionellt sätt, genom att tillföra en hög koncentration av spårpartiklar till vattentanken. Resultaten från de två olika metoderna var likartade, verifiering av att fibermetoden och den nyutvecklade teorin gav korrekt information.

Går vidare, forskarna hoppas kunna utöka sin metod till att inkludera flexibla fibrer som har mindre begränsningar för hur de rör sig. De planerar också att utveckla en teori som kan hjälpa till att mäta turbulens i mer komplexa icke-newtonska vätskor som beter sig annorlunda än vatten eller luft.

"Denna nya teknik har mycket spännande potential, speciellt för forskare som studerar turbulens i stora, öppna flöden som havsströmmar, ", sa Prof. Rosti. "Och att enkelt kunna mäta kvantiteter som tidigare var svåra att få fram tar oss ett steg närmare att helt förstå turbulens."