Avancerade simuleringar har löst ett problem i turbulent vätskeflöde som kan leda till effektivare turbiner och motorer.

När en vätska, som vatten eller luft, flyter tillräckligt snabbt, den kommer att uppleva turbulens - till synes slumpmässiga förändringar i hastighet och tryck i vätskan.

Turbulens är extremt svår att studera men är viktig för många teknikområden, som luftflöde förbi vindkraftverk eller jetmotorer. Att förstå turbulensen bättre skulle göra det möjligt för ingenjörer att designa effektivare turbinblad, till exempel, eller gör fler aerodynamiska former för Formel 1 -bilar.

Dock, nuvarande tekniska modeller för turbulens förlitar sig ofta på 'empiriska' relationer baserade på tidigare observationer av turbulens för att förutsäga vad som kommer att hända, snarare än en fullständig förståelse av den bakomliggande fysiken.

Detta beror på att den underliggande fysiken är oerhört komplicerad, lämnar många frågor som verkar enkla olösta.

Nu, forskare vid Imperial College London har använt superdatorer, kör simuleringar på grafikprocessorer som ursprungligen utvecklats för spel, att lösa en mångårig fråga i turbulens.

Hitta lösningen

Deras resultat, publicerad idag i Journal of Fluid Mechanics , innebär att empiriska modeller kan testas och nya modeller kan skapas, vilket leder till mer optimala konstruktioner inom teknik.

Medförfattare Dr Peter Vincent, från Institutionen för luftfart vid Imperial, sade:"Vi har nu en lösning för ett viktigt grundläggande flödesproblem. Detta innebär att vi kan kontrollera empiriska modeller för turbulens mot det" korrekta "svaret, för att se hur väl de beskriver vad som faktiskt händer, eller om de behöver justeras. "

Frågan är ganska enkel:om en turbulent vätska strömmar i en kanal och den störs, hur försvinner den störningen i vätskan? Till exempel, om vatten plötsligt släpptes ut från en damm i en flod och sedan stängdes av, vilken påverkan skulle dammpulsens puls ha på flodens flöde?

För att bestämma det övergripande 'genomsnittliga' beteendet för vätskeresponsen, laget behövde simulera de otaliga mindre svaren i vätskan. De använde superdatorer för att köra tusentals turbulenta flödessimuleringar, var och en kräver miljarder beräkningar för att slutföra.

Med hjälp av dessa simuleringar, de kunde bestämma de exakta parametrarna som beskriver hur störningen försvinner i flödet och bestämde olika krav som empiriska turbulensmodeller måste uppfylla.

Medförfattare professor Sergej Chernysjenko, från Institutionen för luftfart vid Imperial, sa:"Från mina första dagar när jag studerade vätskemekanik hade jag några grundläggande frågor som jag ville veta svaren på. Detta var en av dem, och nu efter 40 år har jag svaret. "