כיצד ניתן לגשר על הפערים בין טורבולנציה במעבדה ומחוצה לה?

מאז ראשית שנות ה-2000, אנו עדים להופעתו של גל מחקר אמפירי העוסק בזרימה טורבולנטית, הנובע מהתפתחותן של יכולות חישוביות ומערכות מדידה חדשניות. מבין הנושאים שהתפתחו באופן המשמעותי ביותר ניתן למנות את התיאור הלגראנז'י של טורבולנציה (מסגרת מתמטית לתיאור שדות זרימה), אשר במסגרתו התכונות הסטטיסטיות של הזורם מתוארת לאורך מסלוליהם של חלקיקי זורם אידיאליים.

להתפתחותה של המסגרת הלגראנז'יאנית יש השלכות מעשיות משמעותיות, וביניהן היכולת לתאר ולמדל הסעה ופיזור באופן טבעי יותר, בזכות המעקב אחר תנועת הזורם. אכן, פיתוחה של המסגרת הלגראנז’יאנית מסייע לפתרון בעיות כגון חיזוי התפשטותם של כתמי נפט בים, או ריכוז זיהום האוויר בסביבה העירונית ועוד. בהתאם לכך, גל המחקר החדש, אשר נעזר בניסויים ובסימולציות מורכבים שנערכו תחת תנאים אידיאליים, הוליד תגליות פורצות דרך בדבר המנגנונים השוכנים בליבה של הטורבולנציה, החל משבירת סימטריה ועד למורפולוגית שדה הזרימה בסקאלות שונות, החל מפיזור של קבוצות חלקיקים ועד לאינטרמיטיות של הסקאלות הקטנות וכן הלאה.

עם זאת, נראה כי ישנם גורמים אשר מקשים על יישומן של תגליות אלה לצורך פתרונן של בעיות אשר ניצבות בפני מהנדסים ב"עולם האמיתי". לרוב, מחקרים התמקדו בזרימות אידיאליות או "נקיות" מדי מכדי לייצג את הזרימות הקיימות בטבע ובתעשייה. באופן ספציפי, תכונותיהן הסטטיסטיות של הזרימות הנבדקות במחקרים האלה הן לרוב הומוגניות, איזוטרופיות ולא משתנות בזמן, מה שאינו נכון לגבי זרימה טורבולנטית המתקיימת מחוץ למעבדה. עקב הניגוד החד המתקיים בין הזרימות האידאליות לבין הזרימות שמאפיינות את העולם האמיתי, לא ברור אם ניתן ליישם את התגליות החדשות לשם פתרון אותן בעיות משמעותיות הניצבות בפני מהנדסים, או כיצד.

מגשרים בין שני העולמות

במחקר, ניסו החוקרים מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב בשיתוף עם החוקרים מהמכון הביולוגי - ד״ר ירדנה רביב-בוחבוט וד״ר אייל פטל, לגשר על הפער בין שני העולמות האלה. "לשם כך, ערכנו מדידות לגראנז'יאניות בזרימה שמחקה את חלקה התחתון של שכבת הגבול האטמוספרית, אזור בו מתרחשת אינטראקציה בין הזרימה ובניינים או עצים, בתוך מנהרת רוח סביבתית גדולה" מסביר רון.

בתמונה: מנהרת הרוח הסביבתית במכון הביולוגי

המדידות, שבוצעו תוך שימוש במערכת מדידה חדשנית שפותחה במעבדה לחקר מבנה זרימה טורבולנטית של פרופ' אלכס ליברזון, מהוות מאגר מידע חסר תקדים. תכונותיה של הזרימה הזאת, המכונה זרימת קנופי (canopy flow), הן מאוד לא הומוגניות ולא איזוטרופיות, ולכן היא היוותה עבורנו קרקע פוריה כדי לבחון את תוקפן של התגליות החדשות. מוסיף ומסביר רון "למרבה ההפתעה, תוצאות הניסוי שלנו חשפו את קיומו של עולם פנימי נוסף - למרות שזרימת הקנופי שלנו הייתה כלל לא הומוגנית ולא איזוטרופית, הבחנו שכשאנו מצמצמים את טווח הסקאלות שאותן אנו בוחנים (על ידי בחינת השינויים החלים במהירות הזורם במקום המהירות עצמה), התכונות הסטטיסטיות הלגראנז'יאניות של הזרימה נראות כהומוגניות ואיזוטרופיות בקירוב טוב. כל בדיקה שערכנו איששה את התגלית שלנו, גם עבור חלקיקים בודדים וגם עבור קבוצות של חלקיקים הנעים בו-זמנית. התכונה הזאת של הזרימה, שנקראת איזוטרופיה לוקאלית, היא בעלת חשיבות מכרעת לאופן שבו אנו מבינים את הדינמיקה הלגראנז'יאנית בזרימות לא אידיאליות. למעשה, התגלית שלנו מוכיחה כי הממצאים שעלו מניסויים שבחנו זרימות "נקיות" במעבדה תקפים גם לזרימות מסוימות בעלות טורבולונציה חזקה המתקיימות בעולם האמיתי".

פרסומים בכתב עת

"לאחרונה, כתב העת "Journal of  Fluid Mechanics" הכיר בחשיבותן הרבה של התגליות שלנו, ועסק בהן בהרחבה במסגרת מדור "Focus on Fluids" [1]. בנוסף לכך, המחקר שלנו מהווה את אותו גשר אשר חיפשנו ומספק בסיס לפתרון בעיות מורכבות כמו חיזוי התפשטותם של זיהום אוויר או פתוגנים באטמוספרה, ומכאן נובע ערכו האמיתי" מסכם רון.

מי אתה רון?

רון שנפ סיים לא מזמן דוקטורט במעבדה של פרופ' אלכס ליברזון במסלול דוקטורט ישיר (ממסלול מסטר ישיר ואחרי הצטיינות דקאן רב שנתית). היום הוא פוסטדוק במכון ויצמן. זכה לאחרונה במלגת רוטשילד ונוסע לציריך לפוסטדוק יוקרתי ב ETH Zurich. 

"לאחרונה פרסמנו מספר מאמרים משמעותיים בנושא של זרימה אוויר באזורים עירוניים, בשיתוף עם המכון הביולוגי לישראל. למכון יש מנהרת רוח סביבתית חדשה ואנחנו גאים להיות הראשונים שמבצעים שם ניסויים. חשוב לציין כי המחקר נתמך על ידי קרן פזי של הועדה לאנרגיה אטומית. אבל כל זה רק הרקע לסיפור - רון פרסם לאחרונה מאמר של מחבר בודד בעיתון הכי חשוב בתחום "מכניקת זורמים" במסלול המהיר שלהם rapids. זהו כבוד גדול לאחד מהבוגרים המוצלחים שלנו בתחום מחקר מאד משמעותי לאיכות חיינו ולשינוי האקלים" מסכם בגאווה פרופ' ליברזון. 

קישורים למאמרים

• קישור למאמר Lagrangian turbulence in the woods במזגין Focus on fluids
• קישור למאמר החדש  On small-scale and large-scale intermittency of Lagrangian statistics in canopy flow במזגין Journal-of-fluid-mechanics

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון