Yeni deney, gezegenlerdeki akışların kaotik davranışı hakkında fikir veriyor

Dünya gibi gezegenlerdeki akışlar, dönme ve sıcak çekirdek ile soğuk yüzey arasındaki sıcaklık farkı gibi birçok özellikle karakterize edilir. Bu akışların çok büyük boyutları vardır ve bunları araştırmak çok zordur. Onları incelemek için, Ph.D. öğrenci Matteo Madonia, alt ve üst arasındaki sıcaklık farkı ve maksimum 4 metre yüksekliğe sahip dönen bir silindir olan TROCONVEX adlı benzersiz bir deney kurdu. TROCONVEX, araştırmacıların gezegensel akışları anlamamıza yardımcı olabilecek yeni davranışları keşfetmelerine olanak tanır. Madonia, tezini 13 Nisan 2022’de başarıyla savundu.

Dünya’nın atmosferi veya dış çekirdeği gibi gezegensel akışları incelemek, yalnızca büyük orantıları nedeniyle değil, aynı zamanda karmaşıklıkları nedeniyle de oldukça zordur. Aslında, birçok faktörden etkilenirler: gezegenin dönüşü, üst ve alt yüzeyler arasındaki sıcaklık farkı, küresel geometri ve çoğu zaman manyetik alanlar veya bunların “düzlüğü” gibi birçok başka faktör.

Uygulamalı Fizik bölümünün Akışkanlar ve Akışlar araştırma grubunda araştırmacı olan Matteo Madonia, yalnızca yüksek dönüşü ve sıcaklık farkını dikkate alan basitleştirilmiş bir gezegen akışı modeli üzerinde çalışmaya karar verdi. Ancak bu büyük azalma bile tam olarak anlaşılamayan bir sisteme yol açmaktadır.

Kaos

Hızlı dönüşten etkilenen akışlar, kendilerini güzel bir şekilde dikey olarak hizalanmış yapılar halinde düzenleme özelliğine sahipken, sıcak bir taban ile soğuk bir tepe arasında sıkışan sıvılar çok kaotik davranışlar geliştirir. Bu iki etki karıştırıldığında, iki kuvvet arasındaki dengeye bağlı olarak farklı davranan çeşitli farklı akış durumları elde edilir.

Ek olarak, gezegen büyüklüğündeki akışları incelemek için, akışı sayısal olarak simüle ederek yapmak çok zor olan ve ancak çok yüksek kaplarla mümkün olan çok yüksek dönme kuvvetleri elde edilmelidir.

Bu nedenle Madonia, alttan ısıtılan ve yukarıdan soğutulan su içeren çok uzun dönen bir silindir olan TROCONVEX’i tasarladı. 4 metre yüksekliğe kadar olan bu kurulumu kullanarak, daha önce erişilemeyen akış konfigürasyonlarını analiz edebiliyordu.

iki yaklaşım

Dönme ve sıcaklık farkının etkilerinin karıştırılması, aslında, farklılaştırılması ve tanımlanması gereken çeşitli farklı akış durumları yaratır. Araştırmacı bunu iki farklı yaklaşım kullanarak yaptı: ilki sıcaklık problarının kullanımını içeriyordu ve ikincisi hız ölçümlerini içeriyordu.

Sıcaklık problarıyla, her durum için üst ve alt arasındaki ısı transferindeki farkı ve ayrıca silindirin farklı yüksekliklerinde sıcaklığın nasıl değiştiğini analiz edebildi.

Bunu yapmak için, yanlardan ısı sızıntılarını önlemek için silindiri termal olarak izole etmesine izin veren özel bir konfigürasyon kullandı. Bu ölçümlerle daha önce hiç gözlemlenmemiş yeni bir durumu tanımlayabildi: rotasyonel olarak etkilenen türbülans (RIT).

kameralar

Hız ölçümleri, özellikle iki kameranın silindirin içine bakmasına ve sıvıya enjekte ettiğimiz bazı parçacıkların hareketini takip etmesine izin verecek şekilde tasarlanmış şeffaf bir konfigürasyonda yapıldı. İki kamera, akışın hareketini izleyebilir ve üç özel yönde hız bilgisi verebilir.

Bu ölçümlerle Madonia, ilginç bir özellik sunan yeni RIT dahil olmak üzere farklı akış durumlarını daha iyi karakterize edebildi: silindirin bölümünü dolduran dört girdaptan oluşan bir yapı.

Hız ölçümleriyle ilgili daha fazla analiz, bu yapının yan duvarların varlığıyla mı yoksa tipik dönen akışlar olan akışın kendi kendini organize etmesiyle mi üretildiğini kesin olarak belirleyememiştir.