I årtionden, fysiker, ingenjörer och matematiker har misslyckats med att förklara ett anmärkningsvärt fenomen inom vätskemekanik:den naturliga tendensen hos turbulens i vätskor att gå från oordnat kaos till perfekt parallella mönster av sneda turbulenta band. Denna övergång från ett tillstånd av kaotisk turbulens till ett mycket strukturerat mönster observerades av många forskare, men förstod aldrig.

Vid EPFL:s Emerging Complexity in Physical Systems Laboratory, Tobias Schneider och hans team har identifierat mekanismen som förklarar detta fenomen. Deras resultat har publicerats i Naturkommunikation .

Från kaos till ordning

Ekvationerna som används för att beskriva den stora variationen av fenomen som förekommer i vätskeflöden är välkända. Dessa ekvationer fångar de grundläggande fysikaliska lagarna som styr vätskedynamik, ett ämne som lärs ut till alla fysik- och ingenjörsstudenter från grundnivå och framåt.

Men när turbulens spelar in, lösningarna till ekvationerna blir icke-linjära, komplex och kaotisk. Detta gör det omöjligt, till exempel, att förutsäga vädret under en längre tidshorisont. Ändå har turbulens en överraskande tendens att gå från kaos till ett mycket strukturerat mönster av turbulenta och laminära band. Detta är ett anmärkningsvärt fenomen, ändå förblev den underliggande mekanismen gömd i ekvationerna tills nu.

Så här händer:när en vätska placeras mellan två parallella plattor, var och en rör sig i motsatt riktning, turbulens skapas. I början, turbulensen är kaotisk, sedan organiserar den sig själv för att bilda vanliga sneda band, åtskilda av lugnzoner (eller laminära flöden). Ingen uppenbar mekanism väljer bandens sneda orientering eller bestämmer våglängden för det periodiska mönstret.

Dold i enkla ekvationer

Schneider och hans team löste mysteriet. "Som fysikern Richard Feynman förutspådde, lösningen fanns inte i nya ekvationer, utan snarare inom den ekvation som redan var tillgänglig för oss, "förklarar Schneider." Fram tills nu, forskare hade inte tillräckligt kraftfulla matematiska verktyg för att verifiera detta."

Forskarna kombinerade ett sådant verktyg, känd som dynamisk systemteori, med befintliga teorier om mönsterbildning i vätskor och avancerade numeriska simuleringar. De beräknade specifika jämviktslösningar för varje steg i processen, gör det möjligt för dem att förklara övergången från det kaotiska till det strukturerade tillståndet.

"Vi kan nu beskriva den första instabilitetsmekanismen som skapar det sneda mönstret, "förklarar Florian Reetz, studiens huvudförfattare. "Vi har därmed löst ett av de mest grundläggande problemen inom vårt område. De metoder vi utvecklat hjälper till att klargöra den kaotiska dynamiken i turbulent-laminära mönster i många flödesproblem. De kan en dag tillåta oss att bättre kontrollera flöden."

Ett viktigt fenomen

Inom vätskemekanik, randmönsterbildning är viktigt eftersom det visar hur turbulenta och laminära flöden är i konstant konkurrens med varandra för att bestämma vätskans slutliga tillstånd, dvs. turbulent eller laminärt. Denna tävling uppstår när turbulens bildas, som när luft strömmar över en bil. Turbulensen börjar i ett litet område på bilens tak, men sedan sprider det sig — eftersom turbulens är starkare än laminärt flöde i detta speciella fall. Sluttillståndet är därför turbulent.

När randmönstret bildas, det betyder att de laminära och turbulenta flödena är lika starka. Dock, detta är mycket svårt att observera i naturen, utanför de kontrollerade förhållandena i ett laboratorium. Detta faktum pekar på betydelsen av EPFL -forskarnas framgång med att förklara en grundläggande egenskap för turbulens. Inte bara redovisar deras fynd ett fenomen som kan observeras i ett laboratorium, men de kan hjälpa till att bättre förstå och kontrollera flödesrelaterade fenomen som också förekommer i naturen.