Forskare vid Weizmann Institute of Science, universitetet i Rom, CNRS och Helsingfors universitet har nyligen genomfört en studie som undersöker skillnaden mellan 3-D anisotrop turbulens i klassiska vätskor och i supervätskor, såsom helium. Deras fynd, publicerad i Fysiska granskningsbrev ( PRL ), stöds av både teori och experimentella bevis.

"Den nuvarande forskningen initierades av vår grupp vid Weizmann-institutet, Israel, består av Victor L'vov, Itamar Procaccia och Anna Pomyalov, som försökte förstå nya experimentella observationer av grupperna av professor Wei Guo från Florida State University, Tallahassee och professor Ladislav Skrbek från Charles University, i Prag, "Itamar Procaccia, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vårt huvudmål var att förstå en uppenbar överraskande skillnad i hur energi fördelar sig mellan turbulenta virvlar av olika skalor i klassiska viskösa vätskor som luft och vatten och supervätskor som helium vid låga temperaturer."

Alla turbulenta flöden, både i naturen och i laboratoriemiljöer, är anisotropa på energiinjektionsskalor, vilket betyder att energin fördelar sig olika mellan deras turbulenta virvlar. Tidigare studier har visat att modellen för homogen och isotrop turbulens (HIT) är särskilt effektiv för att förutsäga de statistiska egenskaperna hos turbulens på skalor som är mycket mindre än omrörande skalor, ändå större än dissipativa skalor.

I klassiska vätskor, 3D anisotrop turbulens tenderar mot isotropi och homogenitet med minskande skalor, därför är det så småningom möjligt att tillämpa HIT-modellen på dem. I deras studie, dock, Procaccia och hans kollegor visade att motsatsen är sant för superfluid ⁴ Turbulens i 3D-motströmskanalgeometri, som blir mindre isotropt när fjäll minskar, till den grad att bli nästan tvådimensionell.

Tillvägagångssättet som används av dem involverar en så kallad "tvåvätskemodell" av superfluid helium. Denna modell är baserad på Laszlo Tiszas och Lev Landaus tidiga arbeten 1940-1941, som senare förbättrades av H. Hall, W.F. Vinen, I.M. Khalatnikov, och I.L Bekarevich.

"Modellen beskriver superfluid helium som en interpenetrerande blandning av två vätskor:en superfluid som rör sig utan friktion, och en normal trögflytande vätska som är kopplade av en ömsesidig friktion, " förklarade Procaccia.

Tidigare studier utförda av två forskarlag i Tallahasse, Florida och Prag undersökte superfluid helium under en temperaturgradient, skapa vad som kallas "motflöde". Som antyds av dess namn, i motströms olika komponenter i ett fluidflöde i motsatta riktningar; supervätskan strömmar från den kalla till den varma sidan och den normala vätskan från den varma till den kalla sidan.

"Vår modell rationaliserade några av dessa experimentella observationer och förutspådde nya funktioner som senare bekräftades experimentellt, " Procaccia förklarade. "Huvudresultatet av vår studie är att i motsats till klassiska turbulenta flöden som blir mer och mer isotropa i mindre skalor, flödet vi undersökte blir mindre och mindre isotropt när fjällen minskar."

Innan de genomförde sin studie, Procaccia och hans kollegor hade teoretiskt förutspått att deras experiment skulle leda till de observationer som de sedan samlade in. Dock, styrkan på effekten de observerade blev tydlig först efter att de utförde direkta numeriska simuleringar på en EU-superdator, i samarbete med ett team av forskare under ledning av Luca Biferale. Enligt Procaccia, deras teoretiska och numeriska resultat har redan motiverat andra experimentella grupper att fortsätta forskning om motströmsturbulens.

"På Weizmann-institutet, vi utvecklar nu vår teori ytterligare, vara uppmärksam på de nya experimentella teknikerna som möjliggör komplicerade studier av turbulens i superfluid helium, " sade Procaccia. "Vår grupp fortsätter att delta i analysen av nya experimentella data, hoppas kunna bidra till en djupare förståelse av superfluidflöden från laboratorieexperiment till kosmologiskt förverkligande, såsom neutronstjärnor."

© 2019 Science X Network