Классическая теория турбулентности Колмогорова: неожиданное подтверждение в потоках вокруг пузырьков

Новое исследование показало, что фундаментальная теория турбулентности, разработанная Андреем Колмогоровым в 1941 году, может быть использована для понимания сложных движений жидкостей, возникающих вокруг поднимающихся пузырьков. Это открытие имеет широкие последствия для широкого спектра систем, от газированных напитков и промышленных смесителей до океанских волн.

Ученые из Университета Джонса Хопкинса и Университета Дьюка провели эксперимент, используя вертикальную колонну с контролируемыми потоками пузырьков и четыре высокоскоростные камеры, позволяющие отслеживать пузырьки и частицы воды с частотой 2500 кадров в секунду. Анализ показал, что в определенных условиях – при среднем размере пузырьков (3–5 мм) и умеренной их плотности – мелкомасштабная динамика воды действительно соответствовала предсказаниям Колмогорова. Энергия крупного вихря передавалась меньшим вихрям до исчезновения за счет вязкости.

Исследователи также разработали формулу, описывающую скорость затухания турбулентности и зависящую только от размера пузырька и его плотности. Важно отметить, что в реальности идеально «чистого» колмогоровского каскада получить нельзя: слишком большие пузырьки распадаются. Однако, в определенных условиях, теория Колмогорова демонстрирует удивительную точность.

Это открытие подчеркивает важность классических теорий турбулентности и открывает новые возможности для моделирования и понимания сложных потоков жидкости.