Пыльная буря, пример турбулентных потоков с пылевыми частицами. Фото предоставлено Сергеем Беланом.
Исследователи из МФТИ и Института им. Вейцмана (Израиль) предсказали возможность отрицательного турбофореза — явления, при котором примесные частицы внутри турбулентного потока движутся в «невозможном» с общепринятой точки зрения направлении. Соответствующая теоретическая работа Сергея Белана (аспиранта МФТИ), Григория Фальковича и Ицхака Фуксона опубликована журнале Physical Review Letters в разделе Editor Suggestion, куда попадают наиболее важные и интересные по мнению редколлегии журнала научные работы.
Ученые исследовали поведение обладающих инерцией частиц в средах, где на них действует случайные силы. Примерами таких систем являются броуновские частицы в термостате (нагретой жидкости, например) или пылинки и аэрозоли в турбулентных потоках газа. Для случая броуновского движения, как это известно из школьного курса физики, случайная сила возникает вследствие хаотических ударов молекул термостата.
(массивная частица в окружении частиц меньшей массы. Если температура всюду одинакова, частица перемещается случайно, так как удары молекул с разных сторон равновероятны. Когда температура с одной стороны больше, удары с этой стороны становятся вероятнее и частица в среднем дрейфует в направлении понижения температуры)
А на частицу, помещенную в турбулентный поток, действует сила стоксового трения, пропорциональная разности скоростей частицы и жидкости в рассматриваемой точке. Поскольку скорость турбулентного газа меняется хаотично, то результирующую силу трения также можно считать случайной. Со времен Максвелла было известно, что неоднородность температуры термостата (то есть неоднородность интенсивности случайной силы) ведет к возникновению потока частиц в направлении понижения температуры. Это фундаментальное явление, названное термофорезом, широко распространено в природе и используется в ряде технических устройств.
Типичным примером из практики является почернение поверхности керосиновой лампы: градиент температуры «отталкивает» частицы сажи от пламени, что ведет к их осаждению на ламповом стекле. На эффекте термофореза основаны технологии манипуляции наночастицами и методы очистки воздуха от частиц субмикронного размера. Аналогичный эффект, перенесенный на случай инерционных частиц в турбулентных потоках, получил название турбофореза и возникает, к примеру, в процессах переноса пыли и аэрозолей в атмосфере, при перемешивании реагентов в химических реакторах или осаждении примесных частиц в трубах.
Долгие годы считалось, что термофорез/турбофорез неизбежно приводит к накоплению частиц в области минимума температуры/турбулентности. В частности, общепризнанным было представление, что в турбулентном потоке частицы всегда мигрируют по направлению к стенкам. В новой публикации сообщается об ошибочности этой картины. Рассмотрев поведение частиц в окрестности минимума турбулентности, ученые показали возможность отрицательного (когда поток направлен в сторону возрастания интенсивности) турбофореза для достаточно тяжелых частиц. Представленная теоретическая модель позволяет определить критическое значение параметра инерции, при котором знак потока частиц меняется с положительного на отрицательный.
Как объясняют ученые в своей работе, речь идет о новом типе фазового перехода: в зависимости от параметра инерции облако инерционных частиц либо локализовано, концентрируясь вблизи минимума турбулентности, либо делокализовано, покидая окрестность этого минимума. Теперь наибольший интерес представляет вопрос о том, насколько адекватно предложенная теоретическая модель описывает поведение частиц в реальных турбулентных течениях. В текущий момент исследователи занимаются поиском подтверждения предсказанного ими эффекта в численных моделях.
Текст подготовлен Сергеем Беланом.
