Материалы портала «Научная Россия»

1 комментарий 969

Турбулентность - наш враг, и чтобы ее уничтожить, ее надо понять

Турбулентность - наш враг, и чтобы ее уничтожить, ее надо понять
С 9 октября 2020 года в Москве проходит Всероссийский фестиваль науки NAUKA 0+, ведущей темой которого названа физика будущего. Программа мероприятий фестиваля включает в себя ряд лекций выдающихся ученых в области этой науки

Александр Щекочихин - физик-теоретик, научный сотрудник Центра теоретической физики имени Рудольфа Пайерлса, Оксфордский Университет, выступил в онлайн-формате в рамках Всероссийский фестиваль науки NAUKA 0+ с лекцией на тему «Турбулентная плазма: от термоядерного реактора в межгалактическое пространство и обратно». В ходе своего выступления он рассмотрел плазму в ядерной машине и переход плазмы в турбулентное состояние. 

ТОКАМАК

В начале лекции ученый рассказал о физической системе токамак или тородоидальной камере с магнитной катушкой. Изначально она была изобретена российскими учеными Игорем Таммом и Андреем Сахаровым, чтобы понять, что из синтеза атомов водорода можно получать энергию не только в виде водородной бомбы, но и для мирных целей. Физики придумали, что можно взять плазму (ионизированный газ) и заковать магнитными полями в ловушку, где плазма будет синтезировать термояд. Таким образом можно собирать энергию. Докладчик привел в пример будущую систему токамак «ИТЭР» - международный экспериментальный термоядерный реактор. Внутри этой системы есть тороидальная камера, где сидит плазма при высокой температуре. 

Из презентации Александра Щекочихина

Из презентации Александра Щекочихина

Сама плазма горячая в центре, но холодная ближе к стенкам. В центре она должна быть горячая, чтобы атомы быстро двигались, и чтобы реакции синтеза стали более вероятными. На этом этапе встает вопрос о переносе тепла, то есть об уровне теплопроводности. Если в среде есть градиент температур, то есть температура разная в разных местах, температура будет постепенно приходить в равновесие. В стационарном состоянии должен быть баланс между нагревом плазмы и тепловой диффузией. 

Почему система хочет уровнять температуру? Это объясняется броуновским движением. Система - это газ, который состоит из частиц, а они постоянно двигаются и сталкиваются. Чтобы объяснить перенос тепла, нужно рассчитать коэффициент диффузии тепла. В ходе расчетов ученые выяснили, что коэффициент диффузии очень маленький, чего недостаточно для объяснения наблюдаемого переноса тепла. 

 

Рис. 2. Из презентации А. Щекочихина

Из презентации А. Щекочихина

В этом случае Щекочихин обращается к гирокинетической симуляции токамака DIII-D. Система разваливается на хаотические маленькие движения, что называется турбулентностью. «Это задача о том, какой становится профиль температуры в такой системе, когда среда движется. Если у нас среда движется, то температура будет меняться не только из-за того, что может быть охлаждение/нагрев, но и она может измениться, потому что в точку приплыл какой-то кусок плазмы, который имел другую температуру», - комментирует докладчик. Для объяснения переноса тепла через турбулентность необходимо высчитать «турбулентный поток тепла». Турбулентный перенос намного быстрее намного быстрее столкновительного. 

В данной ситуации цель физиков-теоретиков - научиться предсказывать влияние турбулентности на перенос энергии. 

Как только температурные градиенты превышают значение, появляются злобные разрушительные турбулентные переносы. Турбулентность - это поток бесконечных вихрей. Эта информация дает нам почву для оценки коэффициентов турбулентной диффузии. Он равен квадрату некой скорости этих движений умноженному на некое время (время которое эти движения живут). Получится, что коэффициент диффузии турбулентности - типичная скорость турбулентных движений умножить на типичный их размер. Это происходит очень похоже на броуновское движение частиц. 

Введение в теорию турбулентности

Название изображения

Из презентации А. Щекочихина 

Впервые о турбулентности задумался Леонардо да Винчи. Он просто наблюдал за движением воды на поверхности. Исходя из наблюдений, ученый пришел к ключевой мысли, что вода имеет два вихревых движения

  1. основное; 
  2. движение в обратном направлении. 

Среднее ламинарное течение разбивается на хаотические движения.

Возникновение вихрей провоцирует возникновение хаоса, структуру которого ученым и нужно изучать. Популярная мера хаоса - спектр энергии, то есть мера того, как  распределена энергия по всевозможным шкалам энергии. «Спектр энергии - некая величина, которая зависит от такой переменной k, которая называется «волновой вектор». Когда мы меряем спектр энергии, он нам говорит, насколько энергия живет на каждой шкале». 

 

Название изображения

Из презентации А. Щекочихина

Турбулентность - механизм, с помощью которого физические системы прокачивают через себя энергию. Энергия обычно закачивается в систему на гораздо больших шкалах, чем те, на которых она может диссипироваться и так превратиться в тепло. Турбулентность - способ для энергии попасть на эти маленькие масштабы. 

Перенос энергии 

Сама закачка энергии чаще всего происходит на больших масштабах. Чтобы термализировать энергию, система должна перевести ее на меньшие шкалы. 

Проблему переноса энергии впервые понял Льюис Ричардсоном в 20-е годы 20 века. Его идея заключалась в том, что энергия переносится от больших шкал к маленьким через некий промежуточный интервал шкал, которые меньше, чем размер системы, но больше, чем шкала, на которой может произойти вязкая диссипация энергии. 

Согласно теории турбулентности математика Андрея Колмогорова (1941), который хотел узнать, что можно сказать в общем о турбулентной системе, все будет однородно, все взаимодействия будут происходить локально, без шкал.

Таким образом, мы закачиваем энергии на больших шкалах, и она переходит на маленькие, и еще более маленькие. Через каждую шкалу есть поток энергии, который равен пребывающей и убывающей мощности. Здесь идет поток энергии, делящийся на время, в течение которого структуры на этой шкале разваливаются. Это время перекачки со шкалы на шкалу. 

Резюмируя свое выступление, ученый отметил, что сейчас перед физиками стоит задача создания машины, которая даст энергию звезд. В машине этой сидит плазма, которая заперта в магнитной клетке в сильно неравновесном состоянии. Она трясет клетку, вихрит, пытаясь восстановить равновесие. И чтобы плазма оставалась горячей, перед учеными стоит задача: укротить «нелинейного зверя турбулентности». 

Посмотреть полную запись лекции: 

 

"золотой лекторий" фестиваля nauka 0плюс александр щекочихин лекция плазма турбулентность фестиваль науки

Назад

Социальные сети

Комментарии

  • vig, 14 октября 2020 г. 17:51:12

    Турбулентность – градиент плотности среды, возникающий в любой точке за счёт изменения состояния этой среды. Любое внешнее воздействие или внутренний процесс на любом масштабе приводит к изменению этого состояния. Вихревые структуры, формируются в гравитационном поле во всех средах при возникновении плотностной стратификации.

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.