Opskalering af turbulens for bedre laboratorieundersøgelser

Turbulens i havene, i atmosfæren eller i industrien er milliarder af gange stærkere end i laboratorieforsøg. Bare at opskalere laboratorieresultaterne er ikke en mulighed. Teoretisk set imidlertid, der er et turbulensregime, hvor skaleringslove gælder. Det lykkedes forskere ved University of Twente at nå dette 'asymptotiske ultimative regime' af turbulens ved at indføre ruhed ved overfladen, hvor turbulent væske strømmer. De præsenterer deres fund i Naturfysik af 12. februar.

En bedre forståelse af turbulens er en af ​​fysikkens store udfordringer. Turbulens findes i industrielle processer, atmosfæren, og i strømninger omkring skibe eller fly. Reynolds tal, som måler styrken af ​​turbulens, kan ikke opnås i laboratoriet i en realistisk skala, og er meget lavere end i virkelige processer. Ved måling af varmestrøm i laboratoriet ved svagere turbulens, værdierne kan ikke blot ekstrapoleres til de højere Reynolds -tal i naturen eller industrien. Der er, imidlertid, en velkendt teori, der afslører mere om uendeligt høje Reynolds-tal. Det går tilbage til 1962. Ifølge denne teori om Robert Kraichnan, hvem var Albert Einsteins sidste assistent, der er et "asymptotisk ultimativt regime". I dette regime, opskalering er mulig. Endnu bedre, regimet kan nu nås ved de lave Reynolds -tal, der kan opnås i laboratoriet. Dette er en ny og uundværlig forbindelse mellem teori og praksis.

Grænselag

Forskerne fra gruppen Physics of Fluid fra Prof. Detlef Lohse ændrede væskestrømmen ved overfladen ved at indføre ruhed. Til måling af turbulent flow, gruppen oprettede en såkaldt Twente Turbulent Taylor-Couette-opsætning, hvor turbulent strømning kunne genereres mellem to cylindre roterende uafhængigt af hinanden. Ved lavere Reynolds -tal, strømmen tæt på væggen er turbulent bortset fra grænselaget, hvor det stadig er laminært. På vej mod højere Reynolds -tal, strømmen som helhed vil være turbulent. Med introduktionen af ​​ribben til overfladen, strømmen ved væggen ændrer sig drastisk, skabe betingelser, der normalt kun ville ske ved meget stærkere turbulens. Simuleringer af ph.d. studerende Xiajue Zhu og eksperimenter af hans kollega Ruben Verschoof supplerer dette. Fordelen ved simuleringer er, at du får detaljerede oplysninger om strømningshastigheden på et givet tidspunkt, mens eksperimenter kan udføres på højere Reynolds -tal.

Dette er resultatet af mange års simulering og eksperimenter. Simulering af turbulent flow kræver enorm computerkraft. En simulering på en enkelt computer ville tage 10 millioner timer eller 1140 år. Forskerne brugte derfor supercomputere i hele Europa, ved hjælp af 2000 processorer parallelt. Eksperimenterne er lige så krævende og helt ude ved grænsen-Taylor-Couette-opsætningen, som er den største og mest avancerede maskine af sin art, har motorer, der forbruger 20 kilowatt energi, mens der kræves yderligere 20 kW for at nedkøle opsætningen.