Ученые подтвердили универсальность закона Колмогорова для турбулентных потоков

Исследователи экспериментально доказали, что универсальный закон Колмогорова действует для потоков между вращающимися цилиндрами. Это решает одно из старейших противоречий в теории турбулентности и открывает возможности для фундаментальных исследований — от прогнозирования погоды до изучения протопланетных дисков.

Что случилось

Турбулентность — сложная форма движения жидкостей и газов. Ее наблюдают в атмосфере, океане и даже в чашке с кофе. Поведение турбулентных потоков описывают математическими уравнениями, однако предсказать детали их развития долго не удавалось.

В 1941 году физик Андрей Колмогоров предложил модель, согласно которой энергия в турбулентном потоке передается от крупных вихрей к мелким, пока не превратится в тепло. Эту передачу описывает универсальный закон — спектр с показателем «–5/3».

В чем была проблема

Существовало заметное исключение: потоки Тейлора-Куэтта, которые возникают между двумя вращающимися цилиндрами, не подчинялись универсальному закону. Это показывали многие эксперименты.

Что сделали исследователи

Группа ученых разработала экспериментальную установку, которая вращает цилиндры с частотой до тысячи оборотов в минуту и измеряет мельчайшие вихри жидкости при очень высоких значениях числа Рейнольдса — параметра, который характеризует турбулентность. Это позволило получить точные данные о распределении энергии в потоке.

Работа заняла девять лет.

Что это значит

Результаты эксперимента подтвердили, что схема передачи энергии по модели Колмогорова работает и для потоков Тейлора-Куэтта. Ученые сняли одно из долговременных противоречий в физике турбулентности.

Открытие может стать основой для новых исследований в различных областях — от прогнозирования погоды и моделирования океанских течений до изучения процессов в протопланетных дисках.