Làm sáng tỏ dòng chảy rối: Khi chất lỏng chuyển từ trật tự sang hỗn loạn
Dòng chảy rối có mặt tại khắp mọi nơi – nó làm lắc các chiếc máy bay và tạo ra những xoáy nước trong bồn tắm – nhưng đó cũng là một trong số những hiện tượng của vật lý cổ điển vẫn còn chưa được biết rõ nhất.
Một tái cấu trúc 3D động lực học va chạm của hai vòng xoáy. Nguồn: Ryan McKeown/Harvard SEAS
Dòng chảy rối xuất hiện khi một dòng chảy chất lỏng chuyển động có trật tự bị phá vỡ thành các cuộn xoáy nhỏ, mỗi xoáy chất lỏng đó lại tương tác với nhau và lại bị phá vỡ thành những cuộn xoáy nhỏ hơn, và tiếp tục như vậy, trở thành một điểm xoáy chất lỏng hỗn loạn khiến nước cũng kết lại thành hình hết sức thú vị.
Nhưng cơ chế đưa chất lỏng từ trật tự sang hỗn loạn làm các nhà khoa học bối rối hàng thế kỷ.
Khi chưa hiểu rõ vấn đề, các nhà vật lý đã có một giải pháp hữu hiệu: cho chúng va chạm với nhau. Muốn hiểu về các khối cơ bản xây dựng nên vũ trụ này? Cho các hạt va chạm với nhau. Muốn làm sáng tỏ cơ chế bên trong của dòng chảy rối? Hãy để các cuộn xoáy va chạm nhau.
Các nhà nghiên cứu tại trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng John A. Paulson Harvard (SEAS) có thể nhận ra một cơ chế cơ bản của sự phát triển trên dòng chảy rối bằng việc để các vòng xoáy va chạm trực diện với nhau, ghi lại kết quả với các camera có độ phân giải siêu cao, và tái cấu trúc động lực va chạm đó bằng việc sử dụng một chương trình trực quan hóa 3D. Kết hợp với phân tích các mô phỏng số do các đồng nghiệp tại trường đại học Houston và ENS de Lyon thực hiện, các nhà nghiên cứu đã có được cái nhìn sâu sắc chưa từng thấy vào cách các hệ chất lỏng chuyển đổi từ trật tự sang hỗn loạn như thế nào.
Kết quả nghiên cứu được trình bày trong bài báo “Turbulence generation through an iterative cascade of the elliptical instability” trên tạp chí Science Advances.
Xoáy chất lỏng được bắn vào một bể cá 75 gallon để tạo thêm các xoáy. Mỗi xoáy được nhuộm một màu khác biệt, vì vậy các nhà nghiên cứu có thể quan sát cách chúng tương tác với nhau. Nguồn: Harvard SEAS
“Khả năng của chúng tôi để dự đoán weather, hiểu được tại sao một chiếc Boeing 747 có thể bay ngay cả với các dòng chảy rối theo đường bay của nó, và xác định các dòng chảy ở quy mô toàn cầu trên đại dương phụ thuộc vào cách chúng tôi mô hình hóa dòng chảy rối như thế nào”, Shmuel Rubinstein, phó giáo sư vật lý ứng dụng tại SEAS và là tác giả chính của công trình, cho biết. “Dẫu vậy, hiểu biết của chúng tôi về dòng chảy rối vẫn còn thiếu một miêu tả về cơ chế để có thể giải thích cách năng lượng đổ xuống để tạo thành các mức nhỏ hơn và nhỏ hơn nữa cho đến lúc bị tiêu tán”.
“Cố gắng để hiểu ý nghĩa của những gì sẽ đến trong một hệ vô cùng phức tạp như dòng chảy rối luôn luôn là thách thức”, Rodolfo Ostilla-Mónico, phó giáo sư Kỹ thuật cơ khí trường đại học Houston và cũng là tác giả liên hệ của công bố. “Tại mọi mức chiều dài, các cuộn xoáy đang biến dạng và nén lên sau để tạo ra một một bức tranh hỗn loạn. Với công trình này, chúng tôi có thể bắt đầu cô lập và xem những tương tác theo cặp đơn giản, và cách nó dẫn đến động lực học rất mạnh cho đến khi đủ để chúng hiện diện”.
Các nhà vật lý từng sử dụng các vành va chạm xoáy để hiểu các dòng chảy rối từ những năm 1990 nhưng những thực nghiệm trước đây không đủ để làm chậm và tái cấu trúc được cơ chế của va chạm, khoảnh khắc nó bắt đầu rơi vào hỗn loạn. Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu đã đồng bộ hóa tấm laser quét rất mạnh với một camera tốc độ cao – có năng lực bắt được hàng ngàn bức ảnh mỗi giây – để quét một cách nhanh chóng toàn bộ va chạm theo thời gian thực.
Các đỉnh của những con sóng đó phát triển thành các sợi hình ngón tay, được phát triển vuông góc giữa các lõi va chạm. Nguồn: Harvard SEAS
Họ sử dụng những loạt “bắn phá” bằng xoáy chất lỏng trong một bể cá có sức chứa 75gallon để taojra các xoáy. Mỗi xoáy dược nhuộm một màu khac biệt, vì vậy các nhà nghiên cứu có thể quan sát xem chúng tương tác với nhau như thế nào khi chúng va chạm nhau một cách dữ dội. Dù chỉ mất khoảng một giây để cho các vòng tròn biến mất vào một luồng màu sau va chạm nhưng khoảng thời gian đó đã là quá nhiều cho các hiện tượng vật lý xảy ra.
Đầu tiên, các vòng sóng chất lỏng căng ra ra hơn khi chúng va chạm với nhau và các vùng rìa hình thành các sóng phản đối xứng. Các đỉnh của những con sóng đó phát triển thành các sợi hình ngón tay, được phát triển vuông góc giữa các lõi va chạm.
Những sợi này quay ngược lại với các sợi lân cận, tạo ra một dãy những vòng xoáy thu nhỏ tương tác với nhau trong khoảng vài millisecond. Những vòng xoáy mới được hình thành này cũng tạo ra các sợi, sau đó cũng lần lượt tạo ra những xoáy khác. Nhóm nghiên cứu đã quan sát ba lần tạo dựng như vậy của chu kỳ phân tầng này, mỗi lần lại tương tự nhau, chỉ khác là quy mô nhỏ hơn – một dạng hỗn loạn theo dưới hình thức những con búp bê Nga được lồng vào nhau.
“Hành xử này tương tự nhau từ quy mô lớn đến quy mô nhỏ, nó xuất hiện rất nhanh chóng và ở trạng thái trật tự trước khi tất cả bị phá vỡ thành dòng chảy rối”, Ryan McKeown, một học viên tốt nghiệp tại SEAS và là tác giả thứ nhất của bài báo. “Hiệu ứng phân tầng này thực sự rất thú vị bởi nó có thể chỉ ra cơ chế phổ quát cho cách những tương tác này diễn ra và nó độc lập về quy mô như thế nào”.
Thêm vào thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã phát triển các mô phỏng số để hiểu về động lực học của sự phân hóa và định lượng phổ năng lượng của sự phân tầng phát ra. Dòng chảy rối có một phổ rất cụ thể và được xác định rất rõ. Trong khi hệ này được coi là đơn giản hơn so với dòng chảy rối trên đường bay của một chiếc máy bay thì các nhà nghiên cứu đã tìm thấy phổ năng lượng tại giai đoạn cuối của quá trình phân hóa những vòng xoáy đã theo sát những vòng xoáy tương tự để hình thành một cách đầy đủ dòng chảy rối.
“Đây là một chỉ dấu lớn cho thấy dù đây là một hệ khác biệt – với một thời gian ngắn, nó cũng có thể tạo ra những điều kiện tương tự của dòng chảy rối. Đây là điểm bắt đầu”, McKeown nói.
Thanh Nhàn dịch
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-020-00548-w
