Физики из США и Франции обнаружили, что механизм турбулентного каскада, при котором крупные вихри в потоке распадаются на более мелкие, можно объяснить развитием в потоке эллиптической неустойчивости. Такая неустойчивость возникает за счет резонанса между вращательным течением в сталкивающихся вихрях, поэтому ее и раньше связывали с развитием турбулентности. Однако впервые с помощью эксперимента и компьютерного моделирования удалось не только подтвердить эту взаимосвязь, но и детально изучить механизм турбулентного каскада, пишут ученые в Science Advances.
Каждый, кто летал на самолете, сталкивался с турбулентными течениями в воздухе. Это хаотические вихревые потоки, которые возникают в газе или жидкости при его движении с достаточно большой скоростью. Аналогичные эффекты можно наблюдать в потоке воды за плывущей собакой, дыме от сигареты или океанском течении. Но несмотря на распространенность турбулентных течений, из-за своей хаотической природы это одни из самых сложных для объяснения гидродинамических явлений.
Турбулентные вихри обычно возникают в потоке, который движется с большой скоростью (хотя вызвать турбулентность можно и увеличением температуры или снижением вязкости). Для описания явления используют несколько подходов, в первую очередь теорию Колмогорова для изотропной турбулентности при высоких скоростях. Этот подход предполагает, что развитие турбулентности представляет собой каскад, в котором более крупные вихри постепенно распадаются аналогичные по структуре все более мелкие, и в итоге происходит диссипация энергии за счет вязкости. Такая модель довольно точно описывает турбулентность с точки зрения статистики, но ничего не говорит о гидродинамических механизмах, которые лежат в основе процесса. О том, как в турбулентном потоке между собой взаимодействуют отдельные вихри, и что заставляет их распадаться, известно на сегодняшний день довольно мало.
Чтобы подробнее разобраться в механизмах турбулентного каскада, физики из США и Франции под руководством Шмуэля Рубинштейна (Shmuel M. Rubinstein) из Гарвардского университета изучили с помощью эксперимента и компьютерного моделирования процесс столкновения двух вихревых потоков. В эксперименте авторы исследования генерировали два одинаковых кольцевых вихря, жидкость в которых вращалась в противоположных направлениях. С помощью рапидной съемки подкрашенных течений ученые установили, как происходит распад вихрей при их столкновении в зависимости от начальной скорости.
