Турбулентность, вызванная пузырьками, долгое время была одной из самых трудноразрешимых проблем классической физики. Она встречается повсюду: от газированных напитков до промышленных процессов смешивания и океанских волн. Хотя теория советского математика Андрея Колмогорова, сформулированная в 1941 году, широко используется для описания рассеяния энергии в турбулентных потоках, доказательство ее применимости к пузырьковым системам остается сложной научной задачей, пишет IE.
Исследователи из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе, Университета Джонса Хопкинса и Университета Дьюка использовала передовой метод одновременного трехмерного отслеживания Лагранжа, чтобы с высокой точностью зафиксировать движение газообразной и жидкой фаз. Этот метод позволил ученым отслеживать пузырьки и мельчайшие частицы в воде в режиме реального времени.
Ученые создали вертикальный столб воды диаметром 11,5 см и впрыскивали снизу пузырьки. Для того чтобы запечатлеть сцену в мельчайших деталях, они использовали четыре синхронизированные высокоскоростные камеры, снимавшие со скоростью 2500 кадров в секунду. Для воссоздания реальных пузырьковых течений команда варьировала размер пузырьков и количество газа в ходе четырех различных экспериментов.
Пузырьки диаметром от трех до пяти миллиметров колебались при подъеме, создавая сильные вихревые следы. Между тем, в двух из четырех случаев, при умеренном размере и плотности пузырьков турбулентность в потоке точно соответствовала предсказаниям Колмогорова.
По словам команды, это первый случай экспериментального подтверждения элегантной теории Колмогорова для пузырьков и вихрей определенного масштаба. Эксперименты доказывают, что в турбулентности, вызванной пузырьками, может возникать так называемый «Колмогоровский скейлинг», что согласуется с теорией 1941 года о каскадном переносе энергии через турбулентные потоки от крупных вихрей к более мелким.
Вдобавок, физики предложили новую формулу оценки потерь энергии в этих потоках, используя в качестве переменных только размер и плотность пузырьков. Прогнозы практически совпали с экспериментальными результатами, что указывает на возможность построения более простой модели пузырьковой турбулентности.
Несколько лет назад бакалавр из Швейцарии ответил на вопрос о том, почему пузыри в узких вертикальных трубках застревают вместо того, чтобы подниматься вверх. И в процессе исследования обнаружил нечто необычное.
