Time-Symmetry Breaking in Turbulent Multi-Particle Dispersion

این پایان نامه بررسی های تجربی و نظری ارتباط بین عدم تقارن زمانی در تکامل کوتاه مدت خوشه های ذرات و برگشت ناپذیری ذاتی جریان های آشفته به دلیل آبشار انرژی را ارائه می دهد.

اصطلاح آشفتگی حالت خاصی از یک محیط پیوسته را توصیف می کند که در آن درجات آزادی برهم کنش زیادی برانگیخته می شود. یکی از پدیده های جالب مشاهده شده در جریان های متلاطم، برگشت ناپذیری زمانی آنهاست. برای مثال، وقتی شیر به قهوه هم زده می شود، ساختارهای بسیار پیچیده و در هم تنیده ای تولید می شود که فرآیند اختلاط را غیرقابل برگشت می کند.

این رفتار را می توان با مطالعه پراکندگی خوشه های ذرات با جزئیات بیشتری تحلیل کرد. مطالعات تجربی و عددی قبلی در مورد عدم تقارن زمانی در پراکندگی دو ذره نشان می‌دهد که ذرات در زمان سریع‌تر از عقب از جلو جدا می‌شوند، اما هنوز توضیح قطعی ارائه نشده است.

در این پایان‌نامه، یک مطالعه تجربی بر روی رفتار کوتاه‌مدت پراکندگی دو و چهار ذره در یک جریان آب متلاطم بین دو پروانه چرخش مخالف ارائه شده است. یک تحلیل نظری مختصر اما دقیق نشان می‌دهد که برگشت‌ناپذیری زمانی مشاهده‌شده ارتباط نزدیکی با آبشار انرژی تلاطم دارد. علاوه بر این، به طور تجربی نشان داده شده است که افزودن مقادیر بسیار کمی از پلیمرها به جریان، به دلیل تغییر در آبشار انرژی، تأثیر قابل توجهی بر پراکندگی چند ذره دارد.

This thesis presents experimental and theoretical investigations of the connection between the time asymmetry in the short-time evolution of particle clusters and the intrinsic irreversibility of turbulent flows due to the energy cascade.

The term turbulence describes a special state of a continuous medium in which many interacting degrees of freedom are excited. One of the interesting phenomena observed in turbulent flows is their time irreversibility. When milk is stirred into coffee, for example, highly complex and interwoven structures are produced, making the mixing process irreversible.

This behavior can be analyzed in more detail by studying the dispersion of particle clusters. Previous experimental and numerical studies on the time asymmetry in two-particle dispersion indicate that particles separate faster backwards than forwards in time, but no conclusive explanation has yet been provided.

In this thesis, an experimental study on the short-time behavior of two- and four-particle dispersion in a turbulent water flow between two counter-rotating propellers is presented. A brief but rigorous theoretical analysis reveals that the observed time irreversibility is closely linked to the turbulence energy cascade. Additionally, it is demonstrated experimentally that the addition of minute amounts of polymers to the flow has a significant impact on multi-particle dispersion due to an alteration of the energy cascade.