Three-dimensional finite-time Lyapunov-exponent analysis of fluid dusty plasmas under weightlessness using a machine-learning particle reconstruction technique

李雅普诺夫指数 失重 粒子(生态学) 物理 指数 经典力学 统计物理学 机械 数学 数学分析 非线性系统 量子力学 地质学 语言学 海洋学 哲学
作者
A. Melzer,Christina A. Knapek,D. Maier,Daniel Mohr,S. Schütt
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:111 (4)
标识
DOI:10.1103/physreve.111.045214
摘要

We have performed experiments on dusty plasmas under the weightlessness conditions of parabolic flights where the dust particles form an extended homogeneous dust cloud. The three-dimensional (3D) dynamic state of the dust cloud is characterized. Therefore, the particle trajectories have been recorded using a four-camera stereoscopic camera system. From that, the 3D particle trajectories have been determined using both a machine-learning particle reconstruction technique and the deterministic shake-the-box algorithm. From the trajectories, characteristic fluid parameters, such as flow fields and finite-time Lyapunov exponent (FTLE)-based fluid structures have been calculated and analyzed. The FTLE analysis indicates that the fluid is characterized by an incompressible flow with small-scale behavior. Furthermore, it is demonstrated that the machine-learning based approach allows to reliably characterize the dynamic states by comparison with the shake-the-box algorithm. Published by the American Physical Society 2025

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