लगभग सभी द्रव प्रवाह अशांत होते हैं, विविध स्थानिक और लौकिक संरचनाओं को प्रदर्शित करते हैं। अशांति अराजक है, जहां छोटी बाहरी गड़बड़ी समय के विकसित होने के साथ उल्लेखनीय रूप से भिन्न व्यवहार कर सकती है। इन गुणों के बावजूद, अशांति प्रवाह पैटर्न प्रदर्शित कर सकती है जो समय की पर्याप्त अवधि के लिए बनी रहती है, जिसे सुसंगत संरचनाओं के रूप में जाना जाता है।
वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने अशांत द्रव प्रवाह की भविष्यवाणी करने और बदलने के तरीकों पर सवाल उठाया है, और यह लंबे समय से विज्ञान और इंजीनियरिंग में सबसे चुनौतीपूर्ण समस्याओं में से एक रहा है।
से भौतिकविदों जॉर्जिया प्रौद्योगिकी संस्थान ने यह पता लगाने की एक नई विधि विकसित की है कि जब अशांति इन सुसंगत प्रवाह संरचनाओं के समान होती है। इस पद्धति का उपयोग करते हुए, उन्होंने प्रदर्शित किया - संख्यात्मक और प्रयोगात्मक रूप से - कि अशांति को समझा जा सकता है और इसे नियंत्रित करने वाले समीकरणों के विशेष समाधानों के अपेक्षाकृत छोटे सेट का उपयोग करके मापा जा सकता है। द्रव गतिविज्ञान जिसे एक विशिष्ट ज्यामिति के लिए एक बार और सभी के लिए पूर्व-गणना की जा सकती है।
रोमन ग्रिगोरिएव, स्कूल ऑफ फिजिक्स, जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, अटलांटा ने कहा, "लगभग एक सदी के लिए, अशांति को सांख्यिकीय रूप से एक यादृच्छिक प्रक्रिया के रूप में वर्णित किया गया है। हमारे परिणाम पहला प्रायोगिक चित्रण प्रदान करते हैं, जो उपयुक्त रूप से कम समय के पैमाने पर, की गतिशीलता अशांति नियतात्मक है - और इसे अंतर्निहित नियतात्मक शासी समीकरणों से जोड़ता है।"
"मात्रात्मक रूप से अशांत प्रवाह के विकास की भविष्यवाणी करना - और, वास्तव में, उनके लगभग किसी भी गुण - बल्कि मुश्किल है। संख्यात्मक अनुकरण एकमात्र विश्वसनीय मौजूदा भविष्यवाणी दृष्टिकोण है। लेकिन यह महंगा हो सकता है। हमारे शोध का लक्ष्य भविष्यवाणी को कम खर्चीला बनाना था।"
कमजोर अशांत प्रवाह- दो स्वतंत्र रूप से घूमने वाले सिलेंडरों के बीच सीमित- को देखकर- वैज्ञानिकों ने टर्बुलेंस का एक नया रोडमैप बनाया। इसने वैज्ञानिकों को प्रायोगिक अवलोकनों की तुलना संख्यात्मक रूप से गणना किए गए प्रवाह के साथ करने की अनुमति दी, क्योंकि अधिक परिचित ज्यामिति में "अंत प्रभाव" की अनुपस्थिति के कारण, जैसे कि एक पाइप नीचे प्रवाह।
प्रयोग ने पारदर्शी दीवारों का उपयोग किया ताकि पूर्ण दृश्य पहुंच और अत्याधुनिक प्रवाह विज़ुअलाइज़ेशन की अनुमति मिल सके ताकि वैज्ञानिकों को लाखों निलंबित फ्लोरोसेंट कणों के आंदोलन को ट्रैक करके प्रवाह का पुनर्निर्माण करने में सक्षम बनाया जा सके। साथ ही, उन्होंने आंशिक अंतर समीकरण (नेवियर-स्टोक्स समीकरण) के आवर्तक समाधानों की गणना करने के लिए उन्नत संख्यात्मक विधियों का उपयोग किया, जो प्रयोग के समान परिस्थितियों में द्रव प्रवाह को नियंत्रित करता है।
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, अशांत द्रव प्रवाह सुसंगत संरचनाओं को दर्शाता है। अपने प्रयोगात्मक और संख्यात्मक डेटा का विश्लेषण करके, वैज्ञानिकों ने पाया कि ये प्रवाह पैटर्न और उनका विकास उनके द्वारा गणना किए गए विशेष समाधानों द्वारा वर्णित समान है।
ये विशेष समाधान आवर्तक और अस्थिर हैं, जो छोटे अंतराल पर दोहराए जाने वाले प्रवाह पैटर्न का वर्णन करते हैं। अशांति एक के बाद एक समाधान का अनुसरण करती है, यह बताती है कि पैटर्न कैसे और कब प्रकट हो सकते हैं।
ग्रिगोरिएव कहा, "इस ज्यामिति में हमें जो भी आवर्तक समाधान मिले, वे दो अलग-अलग आवृत्तियों की विशेषता वाले अर्ध-आवधिक निकले। एक आवृत्ति ने समरूपता की धुरी के चारों ओर प्रवाह पैटर्न के समग्र रोटेशन का वर्णन किया, जबकि दूसरे ने पैटर्न के साथ सह-घूर्णन संदर्भ फ्रेम में प्रवाह पैटर्न के आकार में परिवर्तन का वर्णन किया। इन सह-घूर्णन फ़्रेमों में संगत प्रवाह समय-समय पर दोहराए जाते हैं।"
"हमने तब इन आवर्तक समाधानों के साथ प्रयोग और प्रत्यक्ष संख्यात्मक सिमुलेशन में अशांत प्रवाह की तुलना की और अशांति को एक के बाद एक आवर्तक समाधान का बारीकी से पालन करने के लिए पाया, जब तक कि अशांत प्रवाह बना रहा। इस तरह के गुणात्मक व्यवहारों की भविष्यवाणी निम्न-आयामी अराजक प्रणालियों के लिए की गई थी, जैसे कि प्रसिद्ध लोरेंज मॉडल, जिसे छह दशक पहले वातावरण के एक बहुत ही सरल मॉडल के रूप में प्राप्त किया गया था। ”
"काम अशांत प्रवाह में देखे गए आवर्तक समाधानों पर नज़र रखने वाली अराजक गति के पहले प्रयोगात्मक अवलोकन का प्रतिनिधित्व करता है। अशांत प्रवाह की गतिशीलता, निश्चित रूप से, आवर्तक समाधानों की अर्ध-आवधिक प्रकृति के कारण कहीं अधिक जटिल है।"
"इस पद्धति का उपयोग करके, हमने निर्णायक रूप से दिखाया कि ये संरचनाएं अंतरिक्ष और समय में अशांति के संगठन को अच्छी तरह से पकड़ती हैं। ये परिणाम सुसंगत संरचनाओं के संदर्भ में अशांति का प्रतिनिधित्व करने और समय पर उनकी दृढ़ता का लाभ उठाने की नींव रखते हैं ताकि भविष्यवाणी, नियंत्रण और इंजीनियर द्रव प्रवाह की हमारी क्षमता पर अराजकता के विनाशकारी प्रभावों को दूर किया जा सके।
"ये निष्कर्ष भौतिकविदों, गणितज्ञों और इंजीनियरों के समुदाय को तुरंत प्रभावित करते हैं जो अभी भी तरल अशांति को समझने की कोशिश कर रहे हैं, जो" शायद सभी विज्ञान में सबसे बड़ी अनसुलझी समस्या है।
"यह काम उसी समूह द्वारा द्रव अशांति पर पिछले काम का निर्माण और विस्तार करता है, जिनमें से कुछ 2017 में जॉर्जिया टेक में रिपोर्ट किए गए थे। उस प्रकाशन में चर्चा किए गए कार्य के विपरीत, जो आदर्श दो-आयामी तरल प्रवाह पर केंद्रित था, वर्तमान शोध संबोधित करता है व्यावहारिक रूप से महत्वपूर्ण और अधिक जटिल त्रि-आयामी प्रवाह।"
"आखिरकार, अध्ययन द्रव अशांति के लिए गणितीय नींव रखता है जो प्रकृति में सांख्यिकीय के बजाय गतिशील है - और इसलिए मात्रात्मक भविष्यवाणियां करने की क्षमता है, जो विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं।"
जर्नल संदर्भ:
- क्रिस्टोफर जे. क्राउले एट अल. टर्बुलेंस आवर्तक समाधानों को ट्रैक करता है। नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही। DOI: 10.1073 / pnas.2120665119
