Helikaaliset aallot kvantittuneissa pyörteissä

Niklas Hietala

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Kvanttifysiikan rajoitusten vuoksi pyörteet supraneste helium-4:ssä ovat viivamaisia objekteja. Tämä tekee hydrodynamiikan tutkimuksesta yksinkertaisempaa. Pyörteinen virtaus on mahdollista ainoastaan kvantittuneiden virtauspyörteiden ansiosta. Absoluuttisen nollapisteen rajalla supra- nesteet muistuttavat viskoosittomia ideaalinesteitä ehkä paremmin kuin mikään muu systeemi. Tämä tekee niistä oivallisia mallisysteemejä tutkittaviksi. Kelvinaallot ovat pyörteen helikaalisia häiriöitä. Koska mikä tahansa suoran pyörteen pieni häiriö voidaan ilmaista helikaalisten moodien summana, ovat ne pyörteen yksinkertaisempia eksitaa- tioita. Supranesteiden turbulenssissa kelvinaallot ovat ratkaisevassa osassa energian dissipaatiota kaikkein kylmimmissä lämpötiloissa. Klassisissa nesteissä helikaalisia pyörteitä syntyy turbiinien ja propellien vanaveteen. Tutkimme aksiaalisen normaalikomponentin virtauksen aikaansaamaa kelvinaaltojen muodos- tumista. Osoitamme, että kelvinaallon voimistumisen kriittinen virtausnopeus riippuu niin heliksin aallonpituudesta kuin amplitudistakin. Tutkimme myös lähekkäisten helikaalisten pyörteiden vuorovaikutusta, kun keskinäiskitkaa ei ole. Tällä työllä on merkitystä myös ohutytimisten klassisten pyörteiden tutkimukselle. Tarkastelemme myös mahdollisia keinoja kelvinaaltojen identifioimiseen monimutkaisissa pyörrekonfiguraatioissa. Klassisille nesteille helisiteetti on osoittautunut hyödylliseksi suureeksi. Jos pyörteisyys rajoittuu pyörreputkiin, niin se liittyy näiden pyörreputkien solmuuntumiseen ja kiertymiseen. Voisi kuvi- tella, että helisiteetti olisi hyödyllinen suure myös supranesteille, joissa pyörteisyys keskittyy viivamaisiin objekteihin. Koska viiva ei kuitenkaan voi kiertyä, ei samanlaisen helisiteetin tulkinnan tekeminen ole yhtä suoraviivaista. Helisiteetti voidaan määritellä supranesteillekin, mutta osoittautuu, että se on aina nolla. Päämenetelmämme tässä työssä on filamenttimalli. Tämä malli on osoittautunut arvokkaaksi työkaluksi, koska kokeet voivat antaa vain rajoitetun määrän tietoa pyörrekonfiguraatioista. Täyden Biot'n ja Savartin lakiin perustuvan mallin lisäksi käytämme hyvin tunnettua lokaalin induktion approksimaatiota. Sekin on hyödyllinen menetelmä, vaikkakin sillä on rajoituksensa. Lokaalin induktion approksimaatiota voi laajentaa sisältämään likimääräiset epälokaalit vuoro- vaikutukset. Tätä mallia käytämme tutkiessamme kelvinaaltoihin liittyvää rekurenssi-ilmiötä. Tulemme siihen tulokseen, että approksimatiivinen malli antaa hyvän vastaavuuden täyteen Biot'n ja Savartin malliin pieniamplitudisilla kelvinaalloilla.
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Hakonen, Pertti, Valvoja
  • Hänninen, Risto, Ohjaaja
  • Eltsov, Vladimir, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-7496-2
Sähköinen ISBN978-952-60-7495-5
TilaJulkaistu - 2017
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • supraneste
  • kvantittunut virtauspyörre
  • kelvinaalto
  • helisiteetti
  • filamenttimalli
  • lokaalin induktion approksimaatio

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Helikaaliset aallot kvantittuneissa pyörteissä'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

  • Siteeraa tätä

    Hietala, N. (2017). Helical waves on quantized vortices. Aalto University.