Een algoritme dat simulaties van turbulente stromingen verbetert door een nauwkeurige berekening mogelijk te maken van een parameter die huidwrijving wordt genoemd, is ontwikkeld door KAUST-onderzoekers in samenwerking met onderzoekers van het California Institute of Technology. De toepassing van dit algoritme kan de lucht- en ruimtevaartindustrie en de scheepvaart helpen in hun race om zuiniger transport te ontwikkelen.

Het berekenen van turbulente stroming over bluflichamen, zoals bollen of cilinders, is van cruciaal belang voor veel praktische technische toepassingen. Echter, het grote aantal parameters dat betrokken is bij het oplossen van turbulentiesimulaties met hoge nauwkeurigheid betekent dat onderzoekers kortere wegen moeten nemen - meestal alleen grote, draaikolkachtige wervelingen worden exact berekend, terwijl kleinere bewegingsschalen alleen bij benadering kunnen worden gemodelleerd.

Hoewel simulaties met grote wervelingen met succes vele soorten turbulentie hebben gereproduceerd, ze hebben nog steeds moeite met een fenomeen dat bekend staat als de drag-crisis. Normaal gesproken, het turbulente zog dat een bewegend object volgt, bepaalt de hoeveelheid weerstand die het produceert. Maar onder bepaalde voorwaarden, een wervelende grenslaag plakt aan het lichaam en verkleint het zog, en de bijbehorende weerstand, zelfs als de stroomsnelheid eromheen toeneemt. Kuiltjes op golfballen, bijvoorbeeld, zijn specifiek ontworpen om de snelheid waarmee de weerstandscrisis optreedt te verminderen, waardoor golfers de bal veel verder kunnen rijden dan met een gladde bal.

Volgens KAUST-natuurkundige Ravi Samtaney, een van de problemen met het voorspellen van sleepcrisiseffecten is het vastleggen van de subtiele veranderingen in grenslagen en wrijving binnen zeer complexe vloeistofdynamica. "Berekeningen met brute kracht zijn gewoon niet mogelijk - de exacte stroom over een Boeing 777 zou meer datapunten vereisen dan het aantal bytes op het hele internet, " zegt hij. "We moesten een betere methode vinden om kleine bewegingsschalen te modelleren."

Het team realiseerde zich dat huidwrijving, een vaak over het hoofd gezien tangentiële kracht uitgeoefend door bluf objecten op vloeistoffen, zou een sleutel kunnen zijn om het fysieke mechanisme van de drag-crisis te begrijpen. Ze onderzochten een model waarbij vloeistof over een cilinder met gladde wanden stroomt en realistische fysieke wanden turbulentie-effecten genereren. Door methoden voor de nauwkeurige berekening van de huidwrijvingsvergelijking in hun code op te nemen, ze losten veranderingen op in de turbulentie nabij de muur, waaronder verrassend onstabiele scheidingen en bellen binnen grenslagen in de sleepcrisiszone. Dit stelde hen in staat om de fysica te identificeren die het begin van de weerstandscrisis beheerst naarmate de vloeistofsnelheid toeneemt.

"Het berekenen van huidwrijving is lastig omdat het precies op het cilinderoppervlak wordt gedefinieerd, " legt KAUST-onderzoeker uit, Wan Cheng. "Hoewel het maar een paar procent bijdraagt ​​aan de totale weerstand, het is uiteindelijk gekoppeld aan de krachten die op de cilinder werken en is een krachtig hulpmiddel voor directe visualisatie van vloeistofdynamica tijdens een sleepcrisis.

"Large-eddy simulaties zijn de toekomst van computationele vloeistofdynamica in industriële en aerodynamische toepassingen, en huidwrijving kan een belangrijke maatstaf zijn bij het optimaliseren van dit ontwerp", merkt Samtaney op.