Поток классической жидкости описывается безразмерным числом, называемым числом Рейнольдса. Этот поток превращается из ламинарного (ровное гладкое регулярное устойчивое течение) в турбулентный (когда в течении присутствуют вихри гораздо меньшего размера, чем размеры трубы), если это число Re, которое зависит не только от скорости потока, но и от других его характеристик, превышает некоторое значение (Re = характерная скорость движения жидкости * характерные размеры течения / кинематическая вязкость жидкости).
Антти Финне (Antti Finne) из Хельсинского технологического университета (Low Temperature Laboratory in Helsinki) с помощью коллег из Японии, Финляндии, Нидерландов, России и Чешской республики обнаружил новый критерий инициации турбулентности в сверхтекучем гелии-3 (3He), который не зависит от скорости. Сверхтекучий гелий состоит из двух компонентов: "нормальная" часть, имеющая ненулевую вязкость и сверхтекучий элемент, текущий без трения (вязкость равна нулю - это так называемая двухжидкостная модель, связанная с именем нашего замечательного теоретика Льва Ландау). Гелий-3 становится сверхтекучим, когда он охлажден до 2,7 милликельвинов, и входит в так называемую "B-фазу", когда охлажден ниже критической температуры в 2,2 милликельвинов.
Другой особенностью сверхтекучих жидкостей является то, что вращательные движения внутри них - топологически устойчивые вихревые витки - являются проквантованными, то есть могут принимать только набор определенных значений. Финне и его сотрудники воспользовались методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для того, чтобы исследовать зависимость поведения таких "петель" вихря от температуры.
Выяснилось, что для температур, превышающих критическую на 60 % ( 1,60Tc, где Tc - переходная температура для сверхтекучести), эти петли росли, пока не занимали весь объем сосуда. Однако при температурах ниже 60 % от критической вихревые витки срывались в турбулентную путаницу, хотя в конечном счете разглаживались, затухали (в случае обычных жидкостей распад турбулентности происходит благодаря дроблению вихрей - запасенная энергия в конце концов рассеивается за счет вязкого трения). Числовое моделирование показало, что ответственным за турбулентность может быть рост на петлях так называемых волн Кельвина ("вкрапленных" в ламинарный поток турбулентных пятен, иначе говоря, вторичной неустойчивости). Скорее всего, все это определяется внутренними параметрами сверхтекучих жидкостей, а именно взаимным трением между нормальным и сверхтекучим компонентами потока, что и является причиной затухания движения в вихре.
Источники:
Turbulent breakthrough in superfluid helium - PhysicsWeb
An intrinsic velocity-independent criterion for superfluid turbulence - Nature
Ссылки:
Турбулентность и детерминированный хаос - Дмитрий Трубецков
Турбулентность - Школьник.Ру
Затухание турбулентности в сверхтекучей жидкости - Scientific.ru
При малых скоростях наблюдается упорядоченное течение жидкости (газа), при котором жидкость (газ) перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения. Такое течение называется ламинарным. С увеличением скорости в некоторый момент режим течения меняется, оно становится турбулентным. Необычность явления заключается в том, что картина течения жидкости изменяется во времени, даже если внешние условия постоянны. Например, в турбулентном течении в трубе при неизменном перепаде давления на концах трубы скорость жидкости в любой точке пульсирует, меняется во времени. При таком течении жидкости или газа отдельные элементы течения совершают неустановившиеся движения по сложным траекториям. В таких течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, поэтому скорость частиц, температура, давление, плотность меняются при переходе от точки к точке и во времени не регулярно. Это приводит к интенсивному перемешиванию вещества. Из-за вязкости кинетическая энергия движения жидкости постепенно переходит в тепло.
| А также : | Наука Общество |