Выяснение динамики потока

Выяснение динамики потока

С 2006 года Беверли МакКеон, профессор аэронавтики и заместитель директора аэрокосмических лабораторий Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт), и ее сотрудник Ати Шарма, старший преподаватель аэродинамики и механики полета в Саутгемптонском университете в Великобритании, занимаются этим. работая вместе, чтобы построить модели турбулентного потока. Недавно они разработали новый и улучшенный способ взглянуть на состав турбулентности у стен, тип потока, который доминирует в нашей повседневной жизни.Их исследования могут привести к значительной экономии топлива, поскольку большое количество энергии потребляется кораблями и самолетами, например, для противодействия лобовому сопротивлению, вызванному турбулентностью. По словам МакКеона, соавтора исследования, описывающего новый метод, опубликованного 8 июля в Journal of Fluid Mechanics, поиск способа уменьшить эту турбулентность на 30 процентов позволит сэкономить миллиарды долларов на расходах на топливо и сопутствующие выбросы в мировой экономике.

«Этот вид турбулентности является причиной большого количества топлива, которое сжигается для перемещения людей, грузов и жидкостей, таких как вода, нефть и природный газ, по всему миру», — говорит она. «[Физик Калифорнийского технологического института Ричард] Фейнман описал турбулентность как« одну из последних нерешенных проблем классической физики », так что это также серьезная академическая проблема».Турбулентность стенок возникает, когда жидкости — жидкость или газ — проходят мимо твердых поверхностей с любой скоростью, кроме самой медленной. Прогресс в понимании и контроле турбулентности стен был несколько постепенным из-за огромного диапазона задействованных масштабов движения — от ширины человеческого волоса до высоты многоэтажного здания в относительном выражении, — говорит МакКеон. изучаю турбулентность 16 лет. Однако ее последняя работа теперь предоставляет способ анализа крупномасштабного потока, разбивая его на дискретные, более легко анализируемые биты.

МакКеон и Шарма разработали новый метод изучения турбулентности стенок, переформулировав уравнения, управляющие движением жидкостей, называемые уравнениями Навье-Стокса, в бесконечный набор более мелких и простых подуравнений или «блоков» с характеристикой что их можно просто сложить, чтобы усложнить задачу и, в конечном итоге, вернуться к полному уравнению. Но преимущество заключается в том, что можно изучить, не прибегая к сложности полных уравнений. Назвав результаты анализа каждого из этих блоков «режимом реакции», исследователи показали, что обычно наблюдаемые особенности турбулентности стенок могут быть объяснены наложением или сложением очень небольшого количества этих режимов реакции, даже если несколько как три.

В 2010 году МакКеон и Шарма показали, что анализ этих блоков может быть использован для воспроизведения некоторых характеристик поля скоростей, таких как тенденция пристенной турбулентности в пользу вихрей определенных размеров и распределений. Теперь исследователи также используют этот метод для захвата когерентной вихревой структуры, вызванной взаимодействием отдельных подковообразных вращательных движений, возникающих в турбулентном потоке. По словам Маккеона, увеличение количества блоков, включенных в анализ, увеличивает сложность сплетения вихрей.

По ее словам, при очень небольшом количестве блоков все очень похоже на результаты чрезвычайно дорогостоящего моделирования в реальном потоке или полного лабораторного эксперимента, но математика достаточно проста, чтобы выполнять ее режим за режимом на портативном компьютере. .«Теперь у нас есть недорогой способ взглянуть на« скелет »турбулентности стенок», — говорит МакКеон, объясняя, что аналогичные предыдущие эксперименты требовали использования суперкомпьютера. «Было удивительно обнаружить, что турбулентность так легко конденсируется в эти важные строительные блоки. Это почти как открытие линзы, которую можно использовать для фокусировки на определенных образцах турбулентности».По ее словам, использование этой линзы помогает снизить сложность того, что пытаются понять инженеры, давая им шаблон, который можно использовать для визуального — и математического — определения порядка из потоков, которые могут показаться хаотичными. Ученые предположили существование некоторых закономерностей на основе наблюдений за реальными потоками; Используя новую технику, эти закономерности теперь можно вывести математически из основных уравнений, что позволяет исследователям проверять предыдущие модели того, как работает турбулентность, и улучшать эти идеи.

По словам Маккеона, понимание того, как формула может уловить каркас турбулентности, позволит исследователям изменить турбулентность, чтобы контролировать поток и, например, уменьшить сопротивление или шум.«Представьте себе возможность формировать не только крыло самолета, но и характеристики турбулентности потока над ним, чтобы оптимизировать летно-технические характеристики самолета», — говорит она. «Это открывает двери для совершенно новых возможностей в области производительности транспортных средств, которые могут снизить потребление даже возобновляемых или неископаемых видов топлива».

Финансирование исследования, изложенного в статье Journal of Fluid Mechanics под названием «О когерентной структуре в турбулентности стенок», было предоставлено Управлением научных исследований ВВС США. Этот документ является предметом тематической статьи "Focus on Fluids", которая появится в следующем печатном номере того же журнала и написана Джозефом Клевицки из Университета Нью-Гэмпшира.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *