At sætte noget hud i turbulensspillet

En algoritme, der forbedrer simuleringer af turbulente strømninger ved at muliggøre en nøjagtig beregning af et parameter kaldet hudfriktion, er udviklet af KAUST -forskere i samarbejde med forskere ved California Institute of Technology. Anvendelsen af ​​denne algoritme kan hjælpe luftfarts- og skibsindustrien i deres løb med at udvikle mere brændstofeffektiv transport.

Beregning af turbulent strømning over blufflegemer, såsom kugler eller cylindre, er afgørende for mange praktisk tekniske applikationer. Imidlertid, det store antal parametre, der er involveret i løsning af turbulenssimuleringer med høj nøjagtighed, betyder, at forskere skal tage genveje - typisk kun store, hvirvellignende virvler beregnes nøjagtigt, mens mindre bevægelsesskalaer kun kan modelleres til tilnærmelse.

Selvom store virvel-simuleringer med succes har gengivet mange typer turbulens, de har stadig problemer med et fænomen kendt som træk -krisen. Normalt, den turbulente kølvandet, der følger et objekt i bevægelse, bestemmer mængden af ​​træk, det producerer. Men under visse betingelser, et hvirvlende grænselag klæber til kroppen og formindsker kølvandet, og det tilhørende træk, selv når strømningshastigheden omkring den stiger. Fordybninger på golfbolde, for eksempel, er specielt designet til at reducere den hastighed, hvormed trækkrisen opstår, gør det muligt for golfspillere at køre bolden meget længere, end de kunne bruge en glat bold.

Ifølge KAUST -fysikeren Ravi Samtaney, et af problemerne med at forudsige træk -kriseeffekter er at fange de subtile ændringer i grænselag og friktion inden for meget kompleks væskedynamik. "Brute force -beregninger er bare ikke mulige - det nøjagtige flow over en Boeing 777 ville kræve flere datapunkter end antallet af bytes på hele internettet, "sagde han." Vi var nødt til at finde en bedre metode til at modellere små bevægelsesskalaer. "

Teamet indså, at hudfriktion, en ofte overset tangentiel kraft, der udøves af bluffobjekter på væsker, kan være en nøgle til at forstå den fysiske mekanisme i trækkrisen. De undersøgte en model, hvor væske strømmer over en glatvægget cylinder og realistiske fysiske vægge genererer turbulenseffekter. Ved at indarbejde metoder til den nøjagtige beregning af hudfriktionsligningen i deres kode, de løste ændringer i turbulensen nær væggen, der omfattede overraskende ustabile adskillelser og bobler inden for grænselag i trækkrisezonen. Dette gjorde dem i stand til at identificere den fysik, der styrer trækkrisens begyndelse, efterhånden som væskehastigheden stiger.

"Beregning af hudfriktion er vanskelig, fordi den er defineret lige på cylinderoverfladen, "forklarer KAUST -forsker, Wan Cheng. "Selvom det kun bidrager med få procent til det samlede træk, det er i sidste ende bundet til de kræfter, der virker på cylinderen og er et kraftfuldt værktøj til direkte visualisering af træk-krisevæskedynamik.

"Simuleringer med stor virvel er fremtiden for beregningsvæskedynamik i industrielle og aerodynamiske applikationer, og hudfriktion kan være et vigtigt mål for at optimere dette design "bemærker Samtaney.