Nước chảy ra từ vòi nước thông thường kể một câu chuyện phức tạp: hành trình của nước qua các đường ống. Ở áp suất và tốc độ cao, nước từ vòi chảy ra sẽ hỗn loạn: hỗn loạn và mất trật tự, giống như sóng biển ập vào. So với dòng chảy tầng có trật tự, chẳng hạn như dòng chảy ổn định từ vòi ở áp suất và tốc độ thấp, các nhà khoa học biết tương đối ít về dòng chảy hỗn loạn. Thậm chí người ta còn biết ít hơn về cách dòng chảy tầng trở nên hỗn loạn. Dòng chảy chuyển tiếp là sự kết hợp giữa dòng chảy có trật tự và dòng chảy không có trật tự, xảy ra khi chất lỏng di chuyển với tốc độ vừa phải.
Hiện nay, Tiến sĩ Rory Cerbus, Tiến sĩ Chien-Chia Liu, Tiến sĩ Gustavo Gioia và Tiến sĩ Pinaki Chakraborty thuộc Viện Cơ học chất lưu và Vật lý liên tục tại Đại học sau đại học Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã rút ra từ nhiều thập kỷ lý thuyết khái niệm về nhiễu loạn để phát triển một phương pháp tiếp cận mới nhằm nghiên cứu dòng chảy chuyển tiếp. Những phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Science Advances, có thể góp phần nâng cao hiểu biết toàn diện và khái niệm hơn về dòng chảy chuyển tiếp và dòng chảy hỗn loạn, cũng như có ứng dụng thực tế trong kỹ thuật. Sự nhiễu loạn thường được coi là bài toán cuối cùng chưa có lời giải trong vật lý cổ điển vì có một điều bí ẩn nào đó về sự nhiễu loạn.
Tìm kiếm trật tự trong sự hỗn loạn
Tuy nhiên, trong điều kiện lý tưởng, chúng ta có một lý thuyết khái niệm giúp giải thích sự nhiễu loạn. Trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học đang tìm hiểu liệu lý thuyết khái niệm này có thể làm sáng tỏ các luồng chuyển đổi hay không. Các nhà khoa học từ lâu đã bị mê hoặc bởi sự nhiễu loạn. Vào thế kỷ 15, Leonardo da Vinci đã mô tả sự nhiễu loạn như một tập hợp các dòng xoáy hoặc vòng xoáy có nhiều kích cỡ khác nhau. Nhiều thế kỷ sau, vào năm 1941, nhà toán học Andrei Kolmogorov đã phát triển một lý thuyết khái niệm tiết lộ trật tự đằng sau năng lượng có vẻ hỗn loạn của các luồng xoáy. Như bản phác thảo của Leonardo da Vinci mô tả: một dòng nước rơi vào một hồ nước ban đầu sẽ tạo thành một xoáy nước lớn.
Dòng xoáy này nhanh chóng trở nên không ổn định và vỡ thành nhiều dòng xoáy nhỏ hơn. Năng lượng được truyền từ xoáy lớn sang các xoáy nhỏ hơn cho đến khi xoáy nhỏ nhất tiêu tán năng lượng thông qua độ nhớt của nước. Bằng cách ghi lại hình ảnh này bằng ngôn ngữ toán học, lý thuyết của Kolmogorov đã dự đoán được phổ năng lượng, một hàm mô tả cách động năng phân bổ giữa các dòng xoáy có kích thước khác nhau. Điều quan trọng là năng lượng của các dòng xoáy nhỏ mang tính phổ quát, nghĩa là mặc dù sự nhiễu loạn có thể trông khác nhau, nhưng các dòng xoáy nhỏ nhất trong tất cả các dòng chảy nhiễu loạn đều có cùng phổ năng lượng. Thật đáng chú ý khi một khái niệm đơn giản như vậy có thể làm sáng tỏ một vấn đề tưởng chừng như khó giải quyết.
Nhưng có một vấn đề: Lý thuyết của Kolmogorov được cho là chỉ áp dụng cho một nhóm nhỏ các luồng lý tưởng chứ không phải cho các luồng trong cuộc sống hàng ngày, bao gồm cả các luồng chuyển tiếp. Để nghiên cứu các dòng chảy chuyển tiếp này, các thí nghiệm đã được tiến hành trên nước chảy qua một ống thủy tinh hình trụ dài 20 mét, đường kính 2,5 cm. Các nhà nghiên cứu đã thêm các hạt rỗng nhỏ có mật độ gần giống như nước, cho phép họ hình dung được dòng chảy. Nghiên cứu này cũng sử dụng một kỹ thuật gọi là đo tốc độ Doppler laser để đo vận tốc dòng xoáy trong dòng chảy ống chuyển tiếp. Từ những vận tốc đo được này, phổ năng lượng đã được tính toán. Điều đáng ngạc nhiên là các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mặc dù trông rất khác so với nhiễu loạn.
Tuy nhiên, phổ năng lượng tương ứng với các dòng xoáy nhỏ trong dòng chảy chuyển tiếp lại phù hợp với phổ năng lượng phổ quát trong lý thuyết của Kolmogorov. Khám phá này không chỉ mang lại hiểu biết khái niệm mới về dòng chảy chuyển tiếp mà còn có ứng dụng trong kỹ thuật. Các nghiên cứu trong hai thập kỷ qua đã chỉ ra rằng quang phổ năng lượng có thể giúp dự đoán ma sát giữa dòng nước và đường ống, một mối quan tâm lớn của các kỹ sư. Độ ma sát trong đường ống càng lớn thì việc bơm và vận chuyển chất lỏng như dầu càng khó khăn. Nghiên cứu kết hợp các ý tưởng toán học sâu sắc với các yếu tố mà các kỹ sư quan tâm, đồng thời phát hiện ra rằng lý thuyết của Kolmogorov có khả năng ứng dụng rộng rãi hơn bất kỳ ai có thể tưởng tượng, cung cấp những hiểu biết mới thú vị về nhiễu loạn và quá trình chuyển đổi sang nhiễu loạn!
Bokeyuan｜www.bokeyuan.net
Bác Khắc Nguyên | Nghiên cứu/Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa
Tạp chí tham khảo: Science Advances
DOI: 10.1126/sciadv.aaw6256
BoKeYuan｜Khoa học, công nghệ, nghiên cứu, khoa học phổ thông
