¿Cómo se determinan los espectros turbulentos en la turbulencia relativista?

En un fluido compresible no relativista, los espectros de energía turbulenta se entienden bien y parecen seguir la hipótesis de Kolmogorov . También parecería que la turbulencia relativista también sigue la pendiente esperada de -5/3 en el rango de inercia de los espectros.

Sin embargo, un punto (de muchos) del que no estoy seguro es cómo se podría calcular un espectro de frecuencia o un espectro de número de onda en un flujo turbulento relativista. ¿Qué significa una frecuencia o un número de onda cuando el factor de Lorentz conduce a la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud?

¿Las frecuencias parecen más pequeñas (dilatadas en el tiempo) dependiendo de la velocidad de un remolino en particular? ¿Los números de onda parecen más grandes dependiendo de la velocidad? Parecería que si hay "remolinos" con velocidad tu 1 C y un número de onda k 1 y otros "remolinos" con velocidad tu 2 dónde tu 1 tu 2 < C con un número de onda k 2 , es posible que k 1 = k 2 con el factor de Lorentz pero k 1 k 2 sin ello.

Parece que no debe cambiar porque los estudios muestran que la turbulencia aún sigue al k 5 / 3 pendiente en el rango de inercia y si el factor de Lorentz conduce a cambios en la frecuencia o el número de onda, parece muy poco probable que la pendiente coincida con la turbulencia tradicional. Pero, por otro lado, las velocidades relativistas cambian tanto el tiempo como la duración, por lo que no sé cómo eso no influye en la frecuencia o el número de onda según la velocidad.

Si tuviera mi sonda de alambre caliente gigante en el espacio mientras pasaba una turbulencia de rejilla relativista, y mi sonda mide la velocidad cada 1 segundo, ¿qué estoy midiendo realmente en el fluido cuando el fluido tiene un "reloj" diferente? ¿Y cómo uso esa señal para calcular un espectro de frecuencia?

¿Debería la cuarta palabra ser incompresible en lugar de comprimible? ¿Tiene una referencia para el caso compresible? Tenga en cuenta que también relativista puede significar dos cosas diferentes. Puede significar que las velocidades están cerca de C . También puede significar que no hay masa conservada, piense en un gas de partículas y antipartículas, pero las velocidades de los fluidos pueden permanecer pequeñas.
@ user2309840 No, significa comprimible (aunque incompresible también funciona). Los espectros en la turbulencia compresible también se comprenden bien, aunque varios mecanismos no se comprenden tan bien como en la turbulencia incompresible. Podría buscar referencias al respecto si lo desea. Tampoco estaba al tanto de los diferentes significados de relativista y estaba pensando en el caso en el que las velocidades (aunque tal vez no todas las velocidades) están cerca de C .
fwiw Mi terminología personal tiene "relativista" y "sin conservación de la masa en reposo" como propiedades ortogonales. Pero todavía hay otro significado de "relativista": energía interna mucho mayor que la energía de la masa en reposo. Es decir, las velocidades térmicas aleatorias que conducen a la presión son relativistas, incluso si los movimientos masivos no lo son. Un buen resultado es que cualquier fluido que se acerque a lo relativista en este sentido térmico se caracteriza por una Γ = 4 / 3 índice adiabático, y eso es prácticamente todo lo que hay para ellos.
Supongo que está preguntando cómo derivar el espectro de número de onda/frecuencia de un espectro de flujo y/o fluctuaciones/variaciones de densidad, algunas de las cuales pueden tener velocidades que alcanzan fracciones significativas de c.
@honeste_vivere Correcto: cómo se ve el espectro y cómo lo calculamos cuando las fluctuaciones de velocidad pueden acercarse a grandes fracciones de la velocidad de la luz localmente.
@honeste_vivere ¡Realmente no he mirado nada desde que hice la pregunta en 2015! El de Arxiv, creo que no lo había visto en ese momento.
@ tpg2114 - Aquí hay otro que puede ser relevante: ui.adsabs.harvard.edu/abs/1998PhRvD..57.3219T/abstract
@honeste_vivere Gracias! Estos son interesantes, pero la recompensa no puede ir a la gente por comentarios... Si reuniste todo en una respuesta integral y completa, podría ganar la recompensa.
@ tpg2114 - Oh, eso me llevaría varias horas ya que no he hecho derivaciones de cascada espectral de turbulencia en algunos años y la adición de efectos relativistas solo aumentaría la demora (sin mencionar que cada artículo parece tener su propio tema de símbolo) . Si tuviera tiempo libre, podría hacerlo solo por diversión...

Respuestas (1)

Una respuesta incompleta:

En el caso no relativista, a menudo se ven funciones de correlación que implican tres velocidades v . En el caso relativista, las velocidades generalmente se reemplazan con más objetos covariantes de Lorentz, por ejemplo, el tensor de tensión T m v . (Consulte, por ejemplo, este artículo de Westernacher-Schneider et al. ) Mientras que el tensor de tensión y las tres velocidades, por supuesto, se transforman bajo el grupo de Lorentz, las reglas de transformación para el tensor de tensión, dado que es un tensor, son un poco más agradables.

Pace tpg2114, francamente, siempre me ha decepcionado un poco la evidencia numérica que he visto para la ley de escala 5/3. La figura 3 (izquierda) en el documento que cité anteriormente, por ejemplo, parece un gran esfuerzo de un relativista numérico serio en el caso ideal y, sin embargo, sigue siendo ruidoso. La Figura 2 en este documento impresionante también supuestamente admite una escala de 5/3 pero ahora con una viscosidad no despreciable y, sin embargo, no es lo que yo llamaría una pistola humeante. Incluso había este papel.que estudia hidro ideal, incompresible, no relativista e involucró una enorme simulación en tarjetas gráficas y, sin embargo, produjo lo que pensé al final del día que era una trama decepcionante. Puede ser extremadamente diferente obtener suficiente separación de escalas en una simulación numérica para ver 5/3 durante más de una década en k . Pero el teórico en mí se pregunta si tal vez también hay más en la historia. (Además, solo he dado ejemplos de 2+1 dimensiones arriba donde en realidad está sucediendo más: una cascada de entrofia. No estoy familiarizado con la historia numérica en 3+1 dimensiones).

De todos modos, entiendo que la forma en que generalmente se configuran estas simulaciones es bombear energía a una escala y bombearla a otra. En el caso de 2+1 dimensiones, uno bombea a pequeña escala debido a la cascada inversa y bombea a gran escala. En el caso de 3+1 dimensiones, supongo que uno bombea a gran escala y sale a pequeña escala. Una vez hecho esto, automáticamente hay un marco preferido: tener una caja, decidir cómo bombear energía hacia adentro y hacia afuera. Presumiblemente, se supone que uno debe calcular las funciones de correlación en ese marco. Luego, de estas funciones de correlación se puede extraer la escala 5/3.

Ahora bien, si todos los componentes de la función de dos puntos del tensor de tensión satisfacen la escala de 5/3, es posible que se vea la escala independiente del marco debido a la linealidad de la ley de transformación para el tensor de tensión bajo impulsos. No sé si alguien ha mirado esto en detalle. Sospecho que la historia es más complicada.