Физики из Университета Питтсбурга и Туринского университета доказали возможность управления направлением переноса энергии в турбулентных течениях. Результаты исследования, опубликованные в журнале «Science Advances», ставят под сомнение классическую теорию турбулентности, сформулированную советским математиком Андреем Колмогоровым в 1941 году. Ранее считалось, что направление переноса энергии в жидких и газообразных средах жестко предопределено размерностью пространства.
Согласно традиционным представлениям, в трехмерных средах – например, в океане или атмосфере – энергия крупных вихрей последовательно дробится и передается более мелким структурам до полного затухания. В двухмерных системах – в частности, в очень тонких слоях жидкости – этот процесс идет в обратном направлении: от малых масштабов к крупным. Авторы новой работы переосмыслили этот перенос как чисто механический процесс, описываемый уравнениями Навье – Стокса, и применили для управления им тензорный геометрический анализ.
Ученые разработали математический алгоритм, основанный на согласовании тензоров напряжения и деформации, которые определяют форму вихрей. Расчеты показали, что взаимное расположение этих величин задает вектор движения энергии. Теоретические выводы были подтверждены в ходе лабораторных экспериментов с тонким слоем электролита, приводимым в движение электромагнитными силами. Поведение взвешенных в воде микрочастиц полностью совпало с результатами компьютерного моделирования, подтвердив возможность искусственного изменения направления энергетических потоков.
Авторы работы полагают, что полученные результаты найдут применение в различных областях науки и техники. В частности, в прибрежной инженерии небольшие физические барьеры протяженностью около десяти метров потенциально способны изменять траекторию переноса загрязнений на расстояниях в несколько километров. Кроме того, понимание механизмов перераспределения энергии позволит улучшить климатические модели, поскольку глобальные изменения климата меняют характер ветров и океанических течений, что напрямую влияет на турбулентные процессы в гидросфере и атмосфере.
Другим перспективным направлением исследователи называют микрофлюидику. В каналах медицинских приборов размером менее миллиметра жидкости практически не смешиваются из-за отсутствия турбулентности. Направленное согласование сил и смещений позволит искусственно генерировать слабую турбулентность на микроуровне, что существенно ускорит диффузию лекарственных препаратов и реагентов в лабораторных тестах.
