Ny forskning tilføjer Prandtls arbejde, far til moderne aerodynamik

I 1942, Ludwig Prandtl - betragtet som far til moderne aerodynamik - udgav "Führer durch die Strömungslehre, "den første bog i sin tid om væskemekanik og oversat til engelsk fra det tyske sprog i 1952 som" Essentials of Fluid Mechanics. "Bogen var en enestående succes, således at Prandtls studerende fortsatte med at vedligeholde og udvikle bogen med nye fund efter hans død . I dag, værket er tilgængeligt under den reviderede titel "Prandtl — Essentials of Fluid Mechanics, "som en udvidet og revideret version af den originale bog med bidrag fra førende forskere inden for væskemekanik.

I årenes løb, de sidste tre sider af Prandtls originale bog, med fokus på bjerg- og dalvind, har fået en vis opmærksomhed fra meteorologisk forskningsmiljø, men de specifikke sider er stort set blevet overset af fluidmekanikersamfundet til det punkt, at indholdet og de nøjagtige matematiske løsninger er forsvundet i den nuværende udvidede version af bogen. Men i dag i supercomputers tidsalder, Inanc Senocak, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, finder ny indsigt i Prandtls originale værk, med vigtige konsekvenser for vejrudsigter om natten i bjergrige terræn.

Drs. Senocak og Cheng-Nian Xiao, en postdoktor i Dr. Senocaks laboratorium, for nylig forfattet et papir med titlen "Stability of the Prandtl Model for Katabatic Slope Flows, "offentliggjort i Journal of Fluid Mechanics . Forskerne brugte både lineær stabilitetsteori og direkte numeriske simuleringer til at afdække, for første gang, væskeinstabilitet i Prandtl -modellen til katabatiske skråningsstrømme.

Katabatiske skråningsstrømme er tyngdekraftsdrevne vinde, der er almindelige over store iskapper eller om natten på bjergskråninger, hvor kold luft strømmer ned ad bakke. At forstå disse vinde er afgørende for pålidelige vejrforudsigelser, som er vigtige for luftkvaliteten, luftfart og landbrug. Men terrænets kompleksitet, lagdeling af atmosfæren og væsketurbulens gør computermodellering af vinde omkring bjerge vanskelige. Da Prandtls model ikke fastsætter betingelserne for, hvornår en hældningsstrøm vil blive turbulent, den mangel gør det svært, for eksempel, at forudsige vejret for området omkring Salt Lake City i Utah, hvor områdets langvarige inversioner skaber et udfordrende miljø for luftkvaliteten.

"Nu hvor vi har mere kraftfulde supercomputere, vi kan forbedre terrænets kompleksitet med bedre rumlige opløsninger i den matematiske model, "siger Dr. Senocak." Dog, numeriske vejrforudsigelsesmodeller gør stadig brug af forenklede modeller, der er opstået i en tid, hvor computerkraften var utilstrækkelig. "

Forskerne fandt ud af, at mens Prandtls model er tilbøjelig til unikke væskeinstabiliteter, som dukker op som en funktion af hældningsvinklen og et nyt dimensionsløst tal, de har navngivet stratificeringsforstyrrelsesparameteren som et mål for forstyrrelsen af ​​atmosfærens baggrundsstratificering på grund af afkøling ved overfladen. Begrebet dimensionsløse tal, for eksempel Reynolds -nummeret, spiller en vigtig rolle i termiske og flydende videnskaber generelt, da de fanger essensen af ​​konkurrerende processer i et problem.

En vigtig implikation af deres fund er, at for en given væske såsom luft, dynamisk stabilitet af katabatiske hældningsstrømme kan ikke blot bestemmes af en enkelt dimensionsløs parameter alene, såsom Richardson -nummeret, som det praktiseres i øjeblikket i meteorologi- og væskedynamikfællesskabet. Richardson -tallet udtrykker et forhold mellem opdrift og vindskær og bruges ofte i vejrforudsigelser, undersøgelse af strømme i oceaner, søer og reservoirer, og måling af forventet luftturbulens i luftfarten.

"Der manglede et overordnet begreb, og Richardson -nummeret var tilbagevenden, "siger Dr. Senocak." Vi siger ikke, at Richardson -nummeret er irrelevant, men når et bjerg eller en dal er beskyttet mod større vejrbevægelser, det kommer ikke ind i billedet. Nu har vi en bedre måde at forklare teorien om disse nedadgående og nedadgående strømme. "

Ikke alene vil denne opdagelse være vigtig for landbruget, luftfart og vejrudsigter, ifølge Dr. Senocak, men det vil også være afgørende for forskning i klimaændringer og tilhørende stigninger i havniveauet, som præcis forudsigelse af katabatiske overfladevindprofiler over store iskapper og gletschere er afgørende for energibalancen for smeltende is. Han bemærker, at selv i væskedynamikssamfundet, opdagelsen af ​​denne nye overraskende form for ustabilitet forventes at vække stor forskningsinteresse.

Næste, Dr. Senocak rådgiver og sponsorerer et seniordesignteam for at se, om forskere rent faktisk kan observere disse væskeinstabilitet i laboratoriet i en skala, der er meget mindre end et bjerg.