Lokalisierungs–Entlokalisierungsübergang für leichte Partikel in Turbulenzen

Kleine Blasen in Flüssigkeiten steigen aufgrund der Archimedischen Kraft an die Oberfläche. Erstaunlicherweise wird dieser Prozess in turbulenten Strömungen durch das Vorhandensein von Wirbelfilamenten erheblich behindert, die als bewegliche potenzielle Brunnen fungieren und leichte Partikel und Blasen dynamisch einfangen. Die Quantifizierung der statistischen Gewichte und Rollen von Wirbelfilamenten in Turbulenzen bleibt jedoch aufgrund ihrer kleinen Skala, der schnellen chaotischen Bewegung und der transitorischen Natur eine herausragende experimentelle und rechnerische Herausforderung. Hier zeigen wir, dass sich das kollektive Blasenverhalten unter dem Einfluss einer modulierten oszillierenden Anregung von einem dynamisch lokalisierten zu einem delokalisierten Zustand ändert. Darüber hinaus stellen wir fest, dass durch Variieren der Anregungsfrequenz und -amplitude ein bemerkenswertes resonantes Phänomen zwischen leichten Partikeln und kleinen Wirbelfilamenten entsteht, das das Partikelverhalten mit einem erzwungenen gedämpften Oszillator vergleicht. Wir diskutieren, wie diese extern angeregten Blasen als eine Art mikroskopischer Sonde verwendet werden können, um die raum-zeitlichen statistischen Eigenschaften der kleinsten Turbulenzskalen zu untersuchen, sodass physikalische Merkmale von Wirbelfilamenten quantitativ gemessen werden können. Wir entwickeln ein Superpositionsmodell, das mit den Simulationsdaten der Partikeldynamik in hervorragender Übereinstimmung steht und den Anteil lokalisierter/delokalisierter Partikel sowie die Eigenschaften der durch Wirbel in Turbulenzen induzierten potenziellen Landschaft aufzeigt. Unser Ansatz ebnet den Weg für innovative Methoden zur genauen Messung turbulenter Eigenschaften und zur Möglichkeit, leichte Partikel und Blasenbewegungen in Turbulenzen zu steuern, mit potenziellen Anwendungen in der Ozeanographie, der medizinischen Bildgebung, der Medikamenten-/Genabgabe, chemischen Reaktionen, der Abwasserbehandlung und industriellen Mischprozessen.