En algoritm som förbättrar simuleringar av turbulenta flöden genom att möjliggöra noggrann beräkning av en parameter som kallas hudfriktion har utvecklats av KAUST-forskare i samarbete med forskare vid California Institute of Technology. Tillämpningen av denna algoritm kan hjälpa flyg- och sjöfartsindustrin i deras kapplöpning att utveckla mer bränsleeffektiva transporter.
Beräknar turbulent flöde över bluffkroppar, som sfärer eller cylindrar, är avgörande för många praktiska tekniska tillämpningar. Dock, det stora antalet parametrar som är involverade i att lösa turbulenssimuleringar med hög noggrannhet gör att forskare måste ta genvägar - vanligtvis bara stora, virvelliknande virvlar beräknas exakt, medan mindre rörelseskalor endast kan modelleras till approximation.
Även om simuleringar med stora virvel har framgångsrikt återskapat många typer av turbulens, de har fortfarande problem med ett fenomen som kallas dragkrisen. I vanliga fall, det turbulenta kölvattnet som följer ett rörligt föremål bestämmer hur mycket motstånd det producerar. Men under vissa förutsättningar, ett virvlande gränsskikt fastnar på kroppen och minskar storleken på kölvattnet, och tillhörande drag, även när flödeshastigheten runt den ökar. Gropar på golfbollar, till exempel, är speciellt utformade för att minska hastigheten med vilken dragkrisen inträffar, gör det möjligt för golfare att driva bollen mycket längre än vad de kunde med en smidig boll.
Enligt KAUST-fysikern Ravi Samtaney, ett av problemen med att förutsäga dragkriseffekter är att fånga de subtila förändringarna i gränsskikt och friktion inom mycket komplex vätskedynamik. "Brute force-beräkningar är helt enkelt inte möjliga - det exakta flödet över en Boeing 777 skulle kräva fler datapunkter än antalet byte på hela internet, " säger han. "Vi var tvungna att hitta en bättre metod för att modellera små rörelseskalor."
Teamet insåg att hudfriktion, en ofta förbisedd tangentiell kraft som utövas av bluffobjekt på vätskor, kan ge en nyckel till att förstå den fysiska mekanismen bakom dragkrisen. De undersökte en modell där vätska strömmar över en slätväggig cylinder och realistiska fysiska väggar genererar turbulenseffekter. Genom att införliva metoder för korrekt beräkning av hudfriktionsekvationen i sin kod, de löste förändringar i turbulensen nära väggen som inkluderade förvånansvärt ostadiga separationer och bubblor inom gränsskikten i motståndskriszonen. Detta gjorde det möjligt för dem att identifiera fysiken som styr uppkomsten av motståndskrisen när vätskehastigheten ökar.
"Det är svårt att beräkna hudfriktion eftersom den definieras precis på cylinderytan, " förklarar KAUST-forskaren, Wan Cheng. "Även om det bara bidrar med några få procent till det totala motståndet, den är i slutändan knuten till de krafter som verkar på cylindern och är ett kraftfullt verktyg för direkt visualisering av vätskedynamik i drag-kris.
"Storvirvelsimuleringar är framtiden för beräkningsvätskedynamik i industriella och aerodynamiska applikationer, och hudfriktion kan vara en viktig åtgärd för att optimera denna design", konstaterar Samtaney.
