Эффект бабочки: как слабое воздействие управляет гигантскими потоками
Турбулентность — это кажущееся хаотичным движение жидкостей и газов — фундаментальное явление нашей Вселенной. Она рождается в точках столкновения сред с разной температурой, плотностью или скоростью, пронизывая собой всё: от океанских глубин и земной атмосферы до недр звёзд и галактик. За внешним беспорядком скрывается строгая математическая логика и физические законы, способные в определённых условиях порождать удивительную самоорганизацию. Так на фоне турбулентной конвекции возникает крупномасштабная циркуляция, управляющая глобальными процессами.
Конвективные течения обладают свойством кардинально менять своё направление. В технических системах — атомных реакторах и химических производствах — такие инверсии создают серьёзную проблему, вызывая медленные колебания температуры. Эти циклические тепловые нагрузки изнашивают конструкции, сокращая срок их службы. Таким образом, задача управления турбулентной конвекцией переходит из разряда фундаментальных в прикладные.Сотрудники Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал Пермского ФИЦ УрО РАН) доказали, что управлять крупномасштабной циркуляцией можно с помощью точечного слабого воздействия. Их работа — это яркая иллюстрация «эффекта бабочки» в лабораторных условиях, где малое вмешательство приводит к масштабным последствиям.
Андрей Николаевич Сухановский — заведующий лабораторией турбулентности ИМСС УрО РАН, доктор физико-математических наук: «Хотя поиск методов эффективного воздействия на крупномасштабную циркуляцию на фоне мелкомасштабной турбулентности остается актуальной задачей современной гидродинамики, лишь несколько научных групп в мире занимаются исследованием влияния локальных воздействий. Нашим китайским коллегам удалось показать, что постоянный нагрев границы конвективной системы в двух или четырёх точках способен изменить её динамику. Мы пошли дальше и воздействуем на систему всего в одной точке маломощным источником тепла.
Мы продемонстрировали, что даже слабое локальное воздействие, составляющее всего 1 % от общей мощности нагрева, нарушает симметрию системы и приводит к появлению предпочтительного направления циркуляции. Наш подход гораздо проще реализовать на практике. Полученный результат открывает новые перспективы для управления потоками теплоносителя в технологических системах, что, в конечном счёте, поможет снизить циклические тепловые нагрузки и повысить ресурс оборудования».
Работа пермских исследователей открывает путь к созданию «интеллектуальных» технологических систем, способных к самоконтролю и адаптации.
Принцип точечного управления конвекцией можно интегрировать в системы охлаждения мощных реакторов, металлургические печи и энергетические установки. Локализовав управляющее воздействие, инженеры получат возможность гасить опасные колебания температуры на стадии их возникновения.
Изящная математическая модель не только подтверждает универсальность физических законов, но и даёт в руки человека тонкий инструмент. Вместо того чтобы бороться со стихией турбулентности, её теперь можно направлять, превращая хаотичную энергию в предсказуемую и управляемую силу. Это шаг к более безопасной, эффективной и долговечной инженерии будущего.
Подробно результаты работы описаны в статье в журнале Europhysics Letters.
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.
