Turbulens finns överallt - i vindens rörelse, havsvågorna och till och med magnetfält i rymden. Det kan också ses i mer övergående fenomen, som rök som strömmar från en skorsten, eller hosta.

Att förstå den senare typen av turbulens - kallad puffturbulens - är viktigt inte bara för att främja den grundläggande vetenskapen, men också för praktiska hälso- och miljöåtgärder, som att beräkna hur långt hostdroppar kommer att röra sig, eller hur föroreningar som släpps ut från en skorsten eller cigarett kan spridas ut i omgivningen. Men att skapa en komplett modell av hur turbulenta puffar av gaser och vätskor beter sig har hittills visat sig gäckande.

"Turbulensens natur är kaotisk, så det är svårt att förutspå, "sade professor Marco Edoardo Rosti, som leder Complex Fluids and Flows Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Puff turbulens, som uppstår när utsläpp av en gas eller vätska i miljön störs, snarare än kontinuerlig, har mer komplicerade egenskaper, så det är ännu mer utmanande att studera. Men det är av avgörande betydelse-särskilt just nu för att förstå luftburna överföringar av virus som SARS-CoV-2. "

Tills nu, den senaste teorin utvecklades på 1970 -talet, och fokuserade på dynamiken hos en puff endast i skala av själva puffen, som hur snabbt den rörde sig och hur bred den spred sig.

Den nya modellen, utvecklat i ett samarbete mellan professor Rosti från OIST, Japan och professor Andrea Mazzino från universitetet i Genova i Italien, bygger på denna teori för att inkludera hur små fluktuationer i puffen beter sig, och hur både storskalig och småskalig dynamik påverkas av förändringar i temperatur och luftfuktighet. Deras resultat publicerades i Fysiska granskningsbrev den 25 augusti 2021.

Intressant, forskarna fann att vid svalare temperaturer (15 ° C eller lägre), deras modell avvek från den klassiska modellen för turbulens.

I den klassiska modellen, turbulens är den högsta - bestämmer hur alla små virvlar och virvlar i flödet beter sig. Men när temperaturen väl sjunkit, flytkraften började få större inverkan.

"Effekten av flytkraft var initialt mycket oväntad. Det är ett helt nytt tillskott till teorin om turbulenta puffar, "sade professor Rosti.

Uppdriften påverkar när gas- eller vätskeblåsan är mycket varmare än temperaturen i den närmaste omgivningen den släpps ut i. Varm gas eller vätska är mycket mindre tät än den kalla gasen eller vätskan i miljön, och därför stiger puffen, så att den kan resa vidare.

"Uppdrift genererar en helt annan typ av turbulens-du ser inte bara förändringar i den stora rörelsen av puffen, men också förändringar i minutrörelserna i puffen, "sade professor Rosti.

Forskarna använde en kraftfull superdator, kan lösa puffens beteende i storskalig och liten skala, för att köra simuleringar av turbulenta puffar, som bekräftade deras nya teori.

Den nya modellen kan nu göra det möjligt för forskare att bättre förutsäga rörelsen av droppar i luften som släpps ut när någon hostar eller talar omaskerad.

Medan större droppar faller snabbt till marken, nå avstånd på cirka en meter, mindre droppar kan förbli luftburna mycket längre och resa längre.

"Hur snabbt dropparna avdunstar - och därför hur små de är - beror på turbulens, som i sin tur påverkas av luftfuktigheten och temperaturen i omgivningen, "förklarade prof. Rosti." Vi kan nu börja ta dessa skillnader i miljöförhållanden, och hur de påverkar turbulens, beaktas när man studerar luftburna virala överföringar. "

Nästa, forskarna planerar att studera hur puffar beter sig när de är gjorda av mer komplicerade icke-newtonska vätskor, där hur lätt vätskeströmmarna kan förändras beroende på krafterna den utsätts för.

"För COVID, detta kan vara användbart för att studera nysningar, där icke-newtonska vätskor som saliv och slem tvingas ut kraftigt, sa Dr Rosti.