Le mouvement brownien des particules dans le fluide est un comportement collectif courant dans les systèmes biologiques et physiques. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Kai Leong Chong, et une équipe de chercheurs en physique, ingénierie, et l'ingénierie aérospatiale en Chine, ont mené des expériences et des simulations numériques pour montrer comment le mouvement des tourbillons ressemblait à des particules browniennes inertielles. Lors des expérimentations, le flux tourbillonnaire convectif turbulent en rotation a permis aux particules de se déplacer de manière balistique dans un premier temps et de manière diffusive après un temps critique dans une transition comportementale directe - sans passer par un régime de mémoire hydrodynamique. Le travail implique que les tourbillons convectifs ont une mémoire induite par l'inertie, leur mouvement à court terme était donc bien défini dans le cadre du mouvement brownien ici pour la première fois.

mouvement brownien

Albert Einstein a d'abord fourni une explication théorique du mouvement brownien en 1905 avec le mouvement des particules de pollen dans un bain thermal, le phénomène est maintenant un exemple courant de processus stochastiques qui se produisent largement dans la nature. Plus tard en 1908, Paul Langevin a noté l'inertie des particules et a prédit que leur mouvement serait balistique dans un court laps de temps, passer au mouvement diffus après une chronologie spécifique. Cependant, en raison de la rapidité de cette transition, il a fallu plus d'un siècle aux chercheurs pour pouvoir observer directement le phénomène. Néanmoins, le mouvement brownien « pur » prédit par Langevin n'a pas été observé dans les systèmes liquides et la transition s'est étendue sur une large gamme d'échelles de temps. La transition lente et douce s'est produite en raison de l'effet mémoire hydrodynamique, pour finalement générer des corrélations à long terme. Les scientifiques avaient précédemment observé l'effet mémoire hydrodynamique dans plusieurs systèmes, y compris les suspensions colloïdales, particules en suspension dans l'air et particules piégées dans des pincettes optiques. Dans ce travail, Chong et al. a montré comment les tourbillons dans les écoulements hautement conjonctifs se comportaient comme des particules inertielles pour effectuer un mouvement brownien pur, pour la première fois, sans être influencé par l'effet hydrodynamique. Ils ont identifié et extrait les tourbillons à l'aide du critère Q (une méthode d'identification des tourbillons). Le travail les aidera à prédire le mouvement du vortex pendant une période de temps spécifique dans les systèmes astrophysiques et géophysiques.

Un défi existant dans la recherche astrophysique et géophysique est de prédire le mouvement des tourbillons dans une période de temps spécifique. Chong et al. utilisé un système modèle pour étudier les tourbillons dans les écoulements convectifs connu sous le nom de convection de Rayleigh Benard (RB), qui comprend une couche fluide de hauteur fixe, chauffé par le bas et refroidi par le haut, tout en étant tourné autour de l'axe vertical à une vitesse angulaire. La différence de température dans le système a déstabilisé le flux pour que la convection se produise lorsque l'entraînement thermique était suffisamment puissant. Les scientifiques ont utilisé trois paramètres sans dimension pour caractériser la dynamique de l'écoulement, y compris le nombre de Rayleigh (Ra), le nombre de Prandtl (Pr) et le nombre d'Ekman (Ek). En présence de rotation, des structures tourbillonnaires ont émergé sous forme de parcelles fluides montant ou descendant en spirale. Les chercheurs continuent d'étudier ces panaches tourbillonnaires en raison de leur importance dans le transport de la quantité de mouvement et de la chaleur.

Chong et al. ont d'abord étudié le mouvement des tourbillons en suivant leur changement de position via une série d'instantanés. Ils ont caractérisé le comportement statistique des tourbillons en utilisant leur déplacement quadratique moyen (MSD). Les valeurs MSD pour différents Ek et Ra ont montré un comportement similaire indiquant que dans un court laps de temps, le mouvement du vortex est passé du mouvement balistique au mouvement diffusif. Cette transition ressemblait à un mouvement brownien dans un bain thermal. Les scientifiques ont donc traité les tourbillons comme des particules browniennes et ont décrit leur mouvement en résolvant l'équation de Langevin pour obtenir leur MSD. Les résultats impliquaient une dynamique similaire de mouvement de vortex pour Ra ​​et Ek, suggérant que les tourbillons présentaient un comportement « purement brownien ». Dans le système de convection, les tourbillons transportaient des parcelles de fluide plus chaudes et plus froides que le fluide environnant ; cette différence de densité relativement faible causée par les variations de température dans l'expérience a donné lieu au comportement balistique notable.

Malgré un mouvement de type brownien, la distribution spatiale des tourbillons n'était pas aléatoire, et présentaient des structures à motifs, que les scientifiques ont obtenu en utilisant des instantanés de plusieurs taux de rotation. Comme le nombre d'Ekman (Ek) variait, plusieurs changements se sont produits dans la distribution du vortex. En premier, le nombre de tourbillons augmente avec la vitesse de rotation, de sorte que les tourbillons initialement dilués et distribués de manière aléatoire sont devenus très concentrés et regroupés. La densité croissante du nombre de vortex avec le taux de rotation était également en accord avec les enquêtes précédentes. Prochain, lorsque le taux de rotation est devenu suffisamment élevé, ils ont formé une structure de vortex-grille. Lorsque Chong et al. zoomé sur une région locale pour observer le taux de rotation le plus élevé, ils ont observé un modèle régulier pour de telles structures de vortex-grille. Les régions rougeâtres des vortex formaient un réseau carré et les régions localisées bleuâtres intermédiaires montraient un comportement de déformation élevée. L'équipe a attribué les motifs carrés observés dans le travail à différents réglages de limites et paramètres de contrôle.

Malgré un mouvement aléatoire dans le domaine temporel, les tourbillons ont montré un ordre spatial spécifique, ce qui a donné lieu à une apparente contradiction. Chong et al. observé les trajectoires des tourbillons lors des rotations lentes et rapides. Cependant, les vortex n'ont pas voyagé assez loin pour « voir » ou interagir avec d'autres vortex. Ils ont attribué l'ordre spatial des vortex à la compétition entre les deux processus dynamiques caractérisés par l'échelle de temps de relaxation du vortex et l'échelle de temps brownienne, respectivement.

De cette façon, Kai Leong Chong et ses collègues ont montré comment le mouvement des tourbillons dans la convection thermique rotative ressemblait à des particules inertielles réalisant un mouvement brownien. Le mouvement a subi une transition brutale des régions balistiques aux régions diffusives sans connaître une région de mémoire hydrodynamique intermédiaire. L'observation du mouvement brownien pur a été prédite pour la première fois par Paul Langevin, bien que cela n'ait pas été observé auparavant dans la pratique pour les particules inertielles dans les systèmes liquides. Le travail a mis en évidence des travaux théoriques classiques existants qui ont montré comment les traces passives présentaient une transition du comportement balistique au comportement diffusif, similaire aux observations expérimentales de cette étude. Le mouvement brownien pur observé a également indiqué l'insignifiance de l'effet mémoire hydrodynamique. Chong et al. considéré la force de Coriolis au cours de l'étude en raison de sa pertinence dans la formation de vortex dans les phénomènes naturels, y compris les cyclones tropicaux dans l'atmosphère, les tourbillons océaniques et la tache rouge géante à longue durée de vie de Jupiter. Les résultats influenceront de nombreuses situations en astrophysique, géophysique et météorologie.

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