Течения в жидкостях и газах бывают двух основных видов: турбулентные: хаотические, вихревые – и ламинарные: продвигающиеся послойно, без перемешивания. Если движения второго рода упорядочены, и их траекторию легко определить, то в случае с турбулентными течениями все непросто, и предугадать, в каком месте и какое количество газа или жидкости будет находиться через некоторый промежуток времени, можно только приближенно. Ученые признают: полную теорию турбулентности неимоверно сложно построить; тем не менее за последние четверть века ученому сообществу удалось продвинуться в понимании этих процессов.
Турбулентность описывает целый класс явлений в атмосфере и гидросфере нашей планеты: ветры и морские течения, волны, торнадо и цунами, дрейф мусорных пятен в Мировом океане и т. д. Даже кровь может течь по жилам как ламинарно (обычно в условиях физиологического покоя), так и турбулентно – при сужении или расширении кровеносного сосуда, изменении вязкости крови, а также при образовании бляшек в артерии или вене.
«Полностью ламинарных течений в природе практически не бывает, они чаще встречаются в очень вязких жидкостях, — комментирует заместитель директора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ по научной работе д. ф.-м. н. профессор Михал Гнатич. — Вязкость придает потоку «тормозную силу», создает внутреннее трение. Чем большую вязкость имеет система, тем больше энергии нужно накачивать, чтобы раскрутить в ней движение. Такое движение всегда имеет склонность срываться: турбулизоваться, становиться хаотичным".
Поэтому принципиально не существует возможности предсказывать погоду в точности, во всех деталях, даже при наличии самых современных компьютеров, которые рассчитывают направление и скорость воздушных течений. Прогнозы синоптиков бывают наиболее точными, когда стоит безветренная погода, до тех пор, пока течение воздуха является близким ламинарному. Тогда, например, можно сказать, что хорошая, теплая погода простоит пять дней – в этом случае ошибок почти не бывает. Как только на окраинах атмосферного фронта возникают достаточно сильные перепады атмосферного давления, воздух начинает турбулизоваться, «крутиться».
Колоссальное влияние турбулентность оказывает на перенос разных примесей в океанах, морях или в воздухе, например, на распространение дыма из трубы в теплоэлектростанции или на заводе. Ученые могут отследить, как разлетается дым, но при этом дать только средние характеристики: какого размера в среднем будет облако через определенный промежуток времени.
«При этом облако будет иметь сложную форму, но мы можем сказать, что если бы мы представили его себе как некий усредненный шар, то у него был бы диаметр, например, в три километра. Также мы можем определить среднюю скорость распространения это облака», — рассказал Михал Гнатич.
Такие исследования позволяют выяснить, какой будет средняя концентрация веществ в турбулентном течении на определенном удалении от трубы. Это дает понимание, насколько далеко нужно располагать жилую зону от промышленного объекта, и какой высоты должна быть труба, чтобы дым не опускался на город.
«Перенос частиц – сложнейшее явление. Существуют различные уравнения, которые описывают движение объекта в пространстве и времени. Многие из них описывают траекторию однозначно, как это имеет место, например, при стрельбе из винтовки: прицеливаясь из одной точки, попадаешь в определенную цель, прицеливаясь чуть выше – попадаешь в другую выше. Такое движение можно контролировать. В турбулентности же невозможно ничего контролировать – возникает неустойчивость, накапливаются ошибки – проявляется т. н. эффект бабочки. Есть уравнения, которые описывают эту неконтролируемость, однако проблема состоит в том, что их решения получаются неустойчивыми. Они позволяют выводить только некие средние характеристики, оценивать корреляции в системе», — пояснил Михал Гнатич.
Цикл статей о явлениях турбулентности в жидкостях и газах «Расчет критических индексов и репрезентативных физических параметров скейлингового поведения стохастических систем методами квантовой теории поля» группы авторов: Лоран Аджемян, Николай Антонов, Михал Гнатич, Юха Хонконен, Полина Какинь, Георгий Калагов, Михаил Компаниец, Томаш Лучивянски, Лукаш Мижишин, Михаил Налимов – представляющих научные центры: ЛТФ ОИЯИ, СПбГУ, Университет П. Й. Шафарика в Кошице и ИЭФ САН Кошице (Словакия), Хельсинский университет и Национальный университет обороны Хельсинки (Финляндия) был удостоен первой премии ОИЯИ 2021 года в номинации «За научно-исследовательские теоретические работы». В цикл статей входят труды, опубликованные коллективом ученых за последние 25 лет.
