Geavanceerde simulaties hebben een probleem opgelost in turbulente vloeistofstroming dat zou kunnen leiden tot efficiëntere turbines en motoren.

Wanneer een vloeistof, zoals water of lucht, stroomt snel genoeg, het zal turbulentie ervaren - schijnbaar willekeurige veranderingen in snelheid en druk in de vloeistof.

Turbulentie is buitengewoon moeilijk te bestuderen, maar is belangrijk voor veel technische gebieden, zoals luchtstroom langs windturbines of straalmotoren. Door turbulentie beter te begrijpen, kunnen ingenieurs efficiëntere turbinebladen ontwerpen. bijvoorbeeld, of maak meer aerodynamische vormen voor Formule 1-auto's.

Echter, huidige technische modellen van turbulentie vertrouwen vaak op 'empirische' relaties gebaseerd op eerdere waarnemingen van turbulentie om te voorspellen wat er zal gebeuren, in plaats van een volledig begrip van de onderliggende fysica.

Dit komt omdat de onderliggende fysica enorm ingewikkeld is, veel vragen die eenvoudig lijken onopgelost te laten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Imperial College London hebben supercomputers gebruikt, simulaties uitvoeren op grafische processors die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor gaming, om een ​​al lang bestaande vraag in turbulentie op te lossen.

De oplossing vinden

Hun resultaat, vandaag gepubliceerd in de Journal of Fluid Mechanics , betekent dat empirische modellen kunnen worden getest en nieuwe modellen kunnen worden gemaakt, wat leidt tot meer optimale ontwerpen in engineering.

Co-auteur Dr. Peter Vincent, van het Department of Aeronautics van Imperial, zei:"We hebben nu een oplossing voor een belangrijk fundamenteel stromingsprobleem. Dit betekent dat we empirische modellen van turbulentie kunnen toetsen aan het 'juiste' antwoord, om te zien hoe goed ze beschrijven wat er werkelijk gebeurt, of als ze moeten worden aangepast."

De vraag is vrij eenvoudig:als een turbulente vloeistof in een kanaal stroomt en wordt verstoord, hoe verdwijnt die verstoring in de vloeistof? Bijvoorbeeld, als er plotseling water uit een dam in een rivier komt en vervolgens wordt afgesloten, welk effect zou die puls van damwater hebben op de stroom van de rivier?

Om het algemene 'gemiddelde' gedrag van de vloeistofrespons te bepalen, het team moest de talloze kleinere reacties in de vloeistof simuleren. Ze gebruikten supercomputers om duizenden turbulente stromingssimulaties uit te voeren, elk vereist miljarden berekeningen om te voltooien.

Met behulp van deze simulaties, ze waren in staat om de exacte parameters te bepalen die beschrijven hoe de verstoring in de stroming verdwijnt en bepaalden verschillende eisen waaraan empirische turbulentiemodellen moeten voldoen.

Co-auteur professor Sergei Chernyshenko, van het Department of Aeronautics van Imperial, zei:"Vanaf mijn eerste dagen dat ik vloeistofmechanica studeerde, had ik een aantal fundamentele vragen waarop ik het antwoord wilde weten. Dit was er een van, en nu na 40 jaar heb ik het antwoord."