Физики из ВШЭ рассказали, как управлять вихрями в двумерной турбулентности
Как поведение турбулентных потоков меняется под действием внешнего воздействия, выяснили исследователи Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН и факультета физики НИУ ВШЭ. Они показали, что даже небольшое подкручивание извне может стабилизировать систему, продлевая жизнь крупных вихрей. Такие результаты помогут точнее моделировать атмосферные и океанические потоки. Работа опубликована в журнале Physics of Fluids.
Турбулентность — кажущееся беспорядочным движение воды и воздуха, которое возникает, когда потоки вещества начинают двигаться с очень высокой скоростью. В состоянии турбулентности потоки жидкости постоянно перемешиваются, ломаются, вихри распадаются на маленькие, иногда исчезают или, наоборот, собираются в крупные.
Хотя ученые знают условия возникновения турбулентных потоков, для описания их поведения и эволюции приходится использовать сложные математические модели со множеством параметров. Чтобы понять поведение реальных систем, например атмосферы и океанов Земли, исследователи моделируют динамику турбулентности в упрощенном виде — изучают ее на плоскости вместо объема.
Законы турбулентности в трехмерных и двумерных системах кардинально различаются. В трехмерных турбулентных системах энергия движется по прямому каскаду: большие потоки склонны распадаться на маленькие, энергия которых после выделяется в виде тепла. В плоских системах турбулентность проявляется иначе. Двумерная конфигурация заставляет энергию перемещаться по обратному каскаду: мелкие вихри стремятся объединяться в крупные.
Научный сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау РАН и Международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ Владимир Парфеньев и студентка магистратуры факультета физики НИУ ВШЭ Алиса Шиканиан смоделировали поведение турбулентных вихрей на плоскости. Они изучили динамику жидкости в квадратной ячейке.
Ученые рассмотрели случай, в котором к двумерной системе прикладывают постоянный внешний крутящий момент, как будто потоки дополнительно закручивают извне. Оказалось, что добавление совсем небольшого внешнего подкручивания способно увеличить время жизни крупных вихрей и стабилизировать поведение системы.
Математическое моделирование позволило определить, как толщина пограничного слоя у стенок, где происходит рассеяние энергии, зависит от параметров изучаемой системы. Скорость жидкости у границ в проведенном моделировании вела себя так же, как в лабораторных экспериментах с мыльными пленками других исследовательских групп: увеличивалась при удалении от стенок по закономерностям одного типа. При этом в системе образовывались крупные вихри, обратный каскад энергии не останавливался и доходил до размеров системы.
Владимир Парфеньев
«Самый важный для нас результат — точное понимание того факта, что трения жидкости только о стенки недостаточно для остановки обратного каскада энергии в двумерной системе, вихри жидкости всегда будут стремиться собраться в крупные структуры. Так или иначе энергия в системе накапливается на крупных масштабах — именно так из хаоса образуется порядок», — рассказал Владимир Парфеньев.
Полученные учеными результаты расширяют понимание процессов, управляющих формированием крупномасштабных структур в двумерной турбулентности, и создают прочный фундамент для будущих исследований в этой области. Занимающиеся науками о Земле ученые смогут использовать результаты работы для уточнения прогностических моделей океанических и атмосферных течений.
Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект 23-72-30006.
Вам также может быть интересно:
Всероссийский лекторий РНФ стартовал в НИУ ВШЭ
С 20 по 24 октября Российский научный фонд проводит ежегодный всероссийский лекторий, в рамках которого его грантополучатели выступают с открытыми лекциями в научных и образовательных организациях по всей стране. Первое мероприятие лектория состоялось в Высшей школе экономики и было посвящено грантовой поддержке университетов: междисциплинарным исследованиям и кооперации с индустриальными партнерами.
Новый катализатор сохраняет эффективность на протяжении 12 часов
Международная группа исследователей с участием МИЭМ НИУ ВШЭ создала катализатор, который позволяет получать водород из воды быстро и с минимальными затратами. Для этого ученые синтезировали наночастицы сложного оксида из шести металлов и закрепили их на разных подложках. Катализатор на слоях восстановленного графена оказался почти втрое эффективнее по сравнению с тем же оксидом без подложки. Разработка может сделать производство водорода дешевле и приблизить переход к зеленой энергетике. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Energy Materials. Работа выполнена в рамках гранта РНФ.
Физики предложили новый механизм усиления сверхпроводимости с помощью «квантового клея»
Команда исследователей с участием сотрудников МИЭМ ВШЭ показала, что дефекты в материале могут не снижать, а, наоборот, усиливать сверхпроводимость. Это возможно благодаря взаимодействию дефектных и более чистых областей, которое образует «квантовый клей» — однородную компоненту, связывающую разрозненные сверхпроводящие участки в единую сеть. Расчеты подтвердили, что такой механизм может помочь в создании сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. Исследование опубликовано в журнале Communications Physics.
РНФ поддержал 15 проектов молодых ученых НИУ ВШЭ
Российский научный фонд подвел итоги молодежных конкурсов 2025 года на получение грантов. По результатам конкурса инициативных проектов молодых ученых поддержано 14 проектов Высшей школы экономики. По итогам конкурса научных групп под руководством молодых ученых поддержан один проект университета.
Ошибка иммунитета: как антитела при рассеянном склерозе путают мишени
Исследователи НИУ ВШЭ и ИБХ РАН изучили, как иммунная система ведет себя при рассеянном склерозе — болезни, при которой собственные антитела атакуют нервные волокна организма. Сравнив образцы крови пациентов и здоровых людей, ученые обнаружили, что иммунитет больных рассеянным склерозом может путать вирусные белки с белками нервных клеток. Также было выявлено несколько ключевых белков, которые могут стать новыми биомаркерами болезни и помочь в ее диагностике. Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Immunology. Работа выполнена при поддержке РНФ.
«Надеюсь, что смогу инициировать новые исследования в Высшей школе экономики»
Более 10 тысяч научных проектов было поддержано Российским научным фондом (РНФ) в 2024 году. Один из получателей грантов фонда — ученый из Ирана, доцент МИЭМ ВШЭ Ахмад Остовари Могаддам. Благодаря поддержке РНФ и Вышки он принял решение надолго остаться в России.
Новый метод кластеризации упрощает анализ больших массивов информации
Исследователи из ВШЭ и Института проблем управления РАН предложили новый метод анализа данных — туннельную кластеризацию. Он помогает быстро находить группы похожих объектов и требует меньше вычислительных ресурсов, чем традиционные методы. В зависимости от конфигурации данных алгоритм может работать в десятки раз быстрее аналогов. Исследование опубликовано в журнале «Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления».
Среди победителей трех конкурсов РНФ — проекты четырех кампусов ВШЭ
Российский научный фонд подвел итоги конкурса на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами, а также конкурса на продление сроков выполнения проектов по данному мероприятию, получивших гранты РНФ в 2022 году. Кроме того, подведены итоги конкурса на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты). В числе победителей трех конкурсов — проекты НИУ ВШЭ, реализуемые во всех четырех кампусах университета.
Видеть, ощущать и понимать: ученые ВШЭ изучат механизмы восприятия движений при аутизме
Ученые Центра исследований интеллекта и когнитивного благополучия НИУ ВШЭ выиграли грант РНФ на изучение механизмов зрительного восприятия движений при аутизме. Исследователи разработают экспериментальную парадигму, чтобы выявить взаимосвязь визуального внимания и моторики у людей с расстройствами аутистического спектра. Это позволит объяснить нейрокогнитивные механизмы, лежащие в основе трудностей социального взаимодействия при аутизме, и в дальнейшем найти способы их компенсировать.
Химики упростили синтез лекарств с амидной группой
Химики НИУ ВШЭ и ИНЭОС РАН разработали новый метод синтеза амидов — соединений, важных для производства лекарств. Они использовали рутениевый катализатор и угарный газ при точно подобранных параметрах реакции, что позволило получать целевой продукт без побочных отходов и сложных стадий очистки. Метод уже протестировали на синтезе ключевого компонента вориностата — препарата для терапии Т-клеточной лимфомы. Благодаря этому подходу стоимость препарата может снизиться в сотни раз. Исследование опубликовано в Journal of Catalysis. Исследование выполнено при поддержке РНФ.