Tạo chảy rối thực trong phòng thí nghiệm

Giáo sư Joachim Peinke đã thành công trong việc tạo ra những dòng chảy rối trong một đường hầm gió

Những cơn bão mạnh thường để lại đằng sau các phá hủy ngẫu nhiên: những viên ngói lợp mái của một ngôi nhà có thể bị thổi bay nhưng nhà hàng xóm vẫn có thể “bình chân như vại” không bị hư hại tẹo nào. Nguyên nhân gây ra những khác biệt này là gió giật – hoặc như các nhà vật ly vẫn nói, chảy rối địa phương. Nó là kết quả của những dòng khí quyển ở quy mô lớn nhưng cho đến bây giờ thì dường như không thể dự đoán nó một cách chi tiết.

Các chuyên gia trường đại học Oldenburg và trường đại học Lyon mới có một bước tiến trên con đường nghiên cứu về chảy rối quy mô nhỏ: nhóm nghiên cứu do nhà vật lý ở Oldenburg là giáo sư Joachim Peinke đã thành công trong việc tạo ra những dòng chảy rối trong một đường hầm gió. Các dòng chảy đó giống như những dòng chảy xuất hiện trong những cơn lốc lớn. Nhóm nghiên cứu này đã tìm ra cách để cắt theo nghĩa đen một lát cắt của một cơn bão. Họ đã miêu tả nó trong bài báo đăng trên tạp chíPhysical Review Letters “Generation of Atmospheric Turbulence with Unprecedentedly Large Reynolds Number in a Wind Tunnel” (Tạo ra chảy rối khí quyển với số Reynolds lớn chưa có tiền lệ trong một đường hầm gió).

“Khám phá trong thực nghiệm của chúng tôi khiến đường hầm gió của chúng tôi trở thành mô hình cho một thế hệ các phòng thí nghiệm mới trong lĩnh vực này, ví dụ như các hiệu ứng chảy rối trong các turbine gió có thể được nghiên cứu một cách thực tế”, Peinke giải thích.

Đặc điểm tham số quan trọng nhất của chảy rối trong một dòng chảy là số Reynolds: đại lượng vật lý này miêu tả tỉ lệ của năng lượng động học với các lực ma sát trong một môi trường. Một trong những bí ẩn lớn nhất Với cách giải thích đơn giản hơn, người ta có thể nói: sự vĩ đại của số Reynolds, dòng chảy rối chính là thống kê của nó: các sự kiện cực đoan như gió giật mạnh bất ngờ xuất hiện thường xuyên hơn nếu như anh quan sát ở những quy mô nhỏ hơn.

Mạng hoạt động trong đường hầm gió

Những phương trình chưa giải

“Những xoáy lốc chảy rối của một dòng chảy trở nên dữ dội hơn trên các mức quy mô nhỏ”, theo Peinke, người hiện dẫn dắt nhóm nghiên cứu Chảy rối, Năng lượng gió và ngẫu nhiên. Trong một cơn bão mạnh – đó là khi số Reynold ở mức lớn – một chuyến bay do đó bị những điều kiện dòng chảy xoáy lốc mạnh ảnh hưởng. Các nguyên nhân đặc biệt cho hiện tượng này vẫn còn chưa biết đến một cách thấu đáo: các phương trình vật lý miêu tả những dòng chảy vẫn chưa giải quyết được khi hiện tượng này trở thành chảy rối. Đây là mọt trong những bài toán thiên niên kỷ của toán học và được Viện toán học Clay ở Mỹ treo giải thưởng một triệu USD cho ai giải được nó.

Trong một đường hầm gió khá lớn ở ForWind, nhóm nghiên cứu ở Oldenburg đã tạo ra được nhiều điều kiện gió chảy rối hơn trước đây. So với những thực nghiệm trong quá khứ, các nhà nghiên cứu đã tăng thêm số Reynolds lên cả trăm lần và mô phỏng các điều kiện tương tự với những thứ mà người ta có thể gặp trong một cơn bão thực. “Chúng tôi chưa từng thấy giới hạn trên của nó”, Peinke nói. “Chảy rối được tạo ra ngay lập tức rất gần với hiện thực”.

Các thí nghiệm trong đường hầm gió

Đường hầm gió Oldenburg có một phần dài 30 mét. Bốn cái quạt lớn có thể tạo ra gió với tốc độ lên tới 150 kilomet/h, tương đương với cơn bão nhiệt đới cấp 1. Để tạo ra dòng chảy không khí nhiễu loạn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một lưới hoạt động, vốn được phát triển theo những yêu cầu đặc biệt trong đường hầm gió Oldenburg. Cấu trúc này, gồm ba mét mỗi chiều, được đặt tại điểm bắt đầu của đường hầm gió và chứa khoảng 100 cánh nhôm xếp theo hình kim cương nhỏ. Các tấm kim loại đó có thể di chuyển được. Chúng có thể quay theo hai hướng qua 80 trục ngang và dọc, nhờ vậy các nhà nghiên cứu gió chặn có chọn lọc và tái mở các khu vực nhỏ của miệng đường hầm gió trong thời gian ngắn, nguyên nhân khiến không khí xoáy lại. “Với lưới hoạt động vào loại lớn nhất thế giới, chúng tôi có thể tạo ra nhiều trường gió nhiễu loạn khác nhau trong đường hầm gió này”, Lars Neuhaus, thành viên của nhóm nghiên cứu và đóng vai trò chính trong nghiên cứu này, nói.

Với các thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu làm thay đổi chuyển động của lưới trong một nhiễu động tương tự như các điều kiện xuất hiện trong dòng không khí chảy rối. Họ cũng thay đổi lực của cánh quạt một cách bất thường. Do đó thêm vào chảy rối ở quy mô nhỏ, dòng không khí đã tạo ra một chuyển động lớn hơn trong hướng dọc của đường hầm gió. “Phát hiện chủ yếu của chúng tôi là dòng khí trong đường hầm gió kết hợp cả hai phần thành chảy rối bão thực hoàn hảo”, đồng tác giả - tiến sĩ Michael Hölling nói. Nhà vật lý này cũng làm chủ tịch Ủy ban Thử nghiệm đường hầm gió quốc tế của Viện hàn lâm năng lượng gió châu Âu (EAWE). Chảy rối bão này xuất hiện sau lưới hoạt động từ 10 đến 20 m.

Các xoáy trên quy mô nhỏ

“Bằng việc chấp thuận hệ này và các cánh quạt của đường hầm gió, chúng tôi đã tạo ra vùng chảy rối ở quy mô lớn khoảng 10 đến 100 mét. Tại cùng thời điểm có một chảy rối quy mô nhỏ với các chiều dài vài mét và ổn định hơn. Tuy vậy chúng tôi vẫn chưa hiểu tại sao lại như vậy”, Hölling giải thích. Vì anh và đồng nghiệp cho biết, cách tiếp cận mới này có thể làm giảm thiểu chảy rối khí quyển liên quan đến các turbine gió, máy bay hoặc các ngôi nhà xuống kích thước một mét trong đường hầm gió. Điều này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm thực tế với các mô hình thu nhỏ trong tương lai – trong đó những cơn lốc cực đoan xảy ra thường xuyên như trong các cơn bão thật.