Turbulens i haven, i atmosfären eller i industrin är miljarder gånger starkare än i laboratorieexperiment. Att bara uppskala labbresultaten är inte ett alternativ. Teoretiskt sett dock, det finns en turbulensregim där skalningslagar gäller. Forskare vid University of Twente lyckades nå denna 'asymptotiska ultimata regim' av turbulens genom att införa grovhet vid ytan vid vilken turbulent vätska strömmar. De presenterar sina fynd i Naturfysik den 12 februari.

En bättre förståelse av turbulens är en av fysikens stora utmaningar. Turbulens finns i industriella processer, atmosfären, och i flöden runt fartyg eller plan. Reynolds nummer, som mäter turbulensens styrka, kan inte uppnås i laboratoriet i realistisk skala, och är mycket lägre än i verkliga processer. Vid mätning av värmeflöde i labbet vid svagare turbulens, värdena kan inte bara extrapoleras till de högre Reynolds -siffrorna i naturen eller industrin. Det finns, dock, en välkänd teori som avslöjar mer om oändligt höga Reynolds-tal. Det går tillbaka till 1962. Enligt denna teori av Robert Kraichnan, som var Albert Einsteins sista assistent, det finns en "asymptotisk yttersta regim". I denna regim, uppskalning är möjlig. Ännu bättre, regimen kan nu nås med de låga Reynolds-tal som kan uppnås i labbet. Detta är en ny och oumbärlig länk mellan teori och praktik.

Gränsskikt

Forskarna från Physics of Fluid-gruppen av Prof. Detlef Lohse förändrade vätskeflödet vid ytan genom att införa grovhet. För mätning av turbulent flöde, gruppen skapade en så kallad Twente Turbulent Taylor-Couette-installation, i vilket turbulent flöde kan genereras mellan två cylindrar som roterar oberoende av varandra. Vid lägre Reynolds -tal, flödet nära väggen är turbulent förutom gränsskiktet, där det fortfarande är laminärt. Går mot högre Reynolds -nummer, flödet som helhet kommer att vara turbulent. Med införandet av revben till ytan, flödet vid väggen förändras drastiskt, skapa förutsättningar som normalt bara skulle hända vid mycket starkare turbulens. Simuleringar av doktorand student Xiajue Zhu och experiment av hans kollega Ruben Verschoof kompletterar detta. Fördelen med simuleringar är att du får detaljerad information om flödeshastigheten vid en given punkt, medan experiment kan göras med högre Reynolds -nummer.

Detta är resultatet av år av simuleringar och experiment. Att simulera turbulent flöde kräver enorm datorkraft. En simulering på en enda dator skulle ta 10 miljoner timmar eller 1140 år. Forskarna använde därför superdatorer över hela Europa, använder 2000 processorer parallellt. Experimenten är lika krävande och precis vid gränsen-Taylor-Couette-installationen, som är den största och mest avancerade maskinen i sitt slag, har motorer som förbrukar 20 kilowatt energi, medan ytterligare 20 kW behövs för att kyla ner installationen.