Почему турбулентность сжигает энергию по-разному ✛ ✎

Оригинал: "Mach-number-dependent dissipative anomaly in isothermal compressible turbulence"
arXiv:2609.03945v1 · 2026-09-03 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Когда поток движется быстрее звука, энергия теряется иначе, чем в медленном потоке, даже если вязкость очень мала.

Кипящий котёл турбулентности сжигает энергию двумя разными способами. Вихри, как воронки в водовороте, закручивают жидкость и трут слои друг о друга. Ударные волны, как внезапный хлопок, резко сжимают газ и превращают движение в тепло. Долгое время считалось, что при очень слабой вязкости скорость этих потерь перестаёт от неё зависеть. Но что происходит, когда поток движется быстрее звука и сжатие становится главным? Оказывается, потери энергии идут по-разному.

Численные расчёты показали: если поток медленнее звука, потери энергии стремятся к одной постоянной величине. Если поток намного быстрее звука, потери стремятся к другой постоянной. Это как две дороги к одному финишу: одна извилистая, другая прямая. Причина в том, что при высоких скоростях главными становятся ударные волны, а не вихри.

При очень высоких скоростях области, где энергия теряется сильнее всего, становятся почти плоскими, как листы бумаги.

Раньше было неясно, сохраняется ли эта независимость от вязкости в сжимаемой турбулентности и как она зависит от скорости потока. Теперь видно: независимость есть, но она не одна. Для медленных потоков одна, для быстрых — другая. Этот результат может помочь строить модели турбулентности для астрофизики и инженерных расчётов сверхзвуковых потоков.

При числе Маха 10 области максимальной диссипации имеют размерность около 2, то есть они почти идеально плоские, как листы бумаги, хотя само течение трёхмерно.

\frac{\langle \epsilon \rangle}{u_{\mathrm{rms}}^3/L} = \mathrm{const}
Отношение средней диссипации к кубу среднеквадратичной скорости, делённому на интегральный масштаб, стремится к константе при больших числах Рейнольдса.
M_{\mathrm{rms}} = \frac{u_{\mathrm{rms}}}{c_s}
Отношение среднеквадратичной скорости к скорости звука.
Re = \frac{u_{\mathrm{rms}} L_f}{\nu}
Отношение инерционных сил к вязким, где L_f — характерный масштаб накачки, ν — кинематическая вязкость.
Понятия
число Маха число Рейнольдса турбулентность