Кипящая кастрюля раскрывает капризы турбулентности экспресс
Нагретая снизу кастрюля с водой — простой пример турбулентности. Горячая жидкость поднимается, холодная опускается, и поток сам собой разбивается на вращающиеся ячейки, похожие на горизонтальные рулоны. В новой работе физики взяли широкую прямоугольную ёмкость (в десять раз длиннее своей высоты) и проследили, сколько таких рулонов возникает.
Повторяя опыт при тех же условиях, учёные получали от трёх до семи рулонов, чаще всего шесть. Это значит, что у турбулентного течения несколько возможных состояний, и какое именно установится — заранее неизвестно. Когда жидкость сделали более вязкой (число Прандтля выросло с 4.3 до 67.3), рулоны стали дробиться, и поток превратился из системы крупных вихрей в беспорядочные «плюмы» — струи горячей жидкости, всплывающие как пузыри в лавовой лампе.
Число рулонов напрямую влияет на перенос тепла: чем их больше, тем быстрее тепло уходит снизу вверх. Внутри каждого рулона горизонтальная скорость растёт с его размером, а вертикальная падает — жидкость в широком рулоне дольше кружит по кругу, прежде чем подняться. Это похоже на карусель: на большой карусели дольше едешь по кругу и медленнее поднимаешься.
Итог прост: турбулентность не хаос без правил, а система с несколькими устойчивыми состояниями. От того, какое состояние выбрал поток, зависит, насколько быстро нагреется комната от батареи или остынет двигатель. Управляя начальными условиями, можно подтолкнуть поток к нужному режиму — например, к более эффективному охлаждению.
Число Прандтля у воды около 7, а у моторного масла — больше 1000. Поэтому в масле рулоны почти не образуются: тепло переносится струями, а не вращающимися ячейками.