En ny studie tar sig an en över hundra år gammal fråga om hur turbulens uppstår. Fynden kan få betydelse för flygteknik, men även för helt andra områden, som utformning av mekaniska hjärtklaffar.
Virvlar syns ofta i naturen, i exempelvis strömvirvlar och galaxer. De är en av de viktigaste flödesstrukturerna som driver turbulens.
Datasimuleringar som har gjorts vid KTH tyder på att mycket små virvlar tillsammans kan skapa allt större virvlar i flödet – motsatsen till den traditionella bilden av hur energi överförs i turbulens.
Stora rörelser bryts ned
Den dominerande idén under de senaste 100 åren har varit att stora virvelrörelser i en vätska bryts ned i mindre och mindre virvlar, och att energin förs vidare nedåt i längdskalan tills den till slut försvinner. Det är en process som kallas det framåtriktade kaskadflödet.
Johan Hoffman, professor i numerisk analys vid KTH, säger att det inte finns någon anledning att överge den förklaringen, men att vetenskapen nu behöver vara öppen för möjligheten att det också kan finnas en annan process.
Nya mönster syns
Johan Hoffman och KTH-doktoranden Joel Kronborg har i sin forskning gjort en simulering med två stora motroterande virvlar. Dessa stora virvlar skapade ett mycket starkt töjningsfält, ett område där vätskan sträcks ut i en riktning och pressas samman i en annan. Det töjningsfältet gav upphov till små virvlar.
Dessa småskaliga virvlar organiserade sig sedan i mönster vars samlade rörelse gav upphov till flöde på större skalor. Forskargruppen använde avancerad matematik för att dela upp flödet i grundläggande delar och förklara varför de små virvlarna uppstod och hur de betedde sig.
Johan Hoffman säger att resultaten inte utesluter att energi också överförs i den framåtriktade riktningen, från stora till små virvlar.
– Ibland kan båda sakerna ske samtidigt. Detta är också det första steget i den nya mekanismen, där energi överförs från stora virvlar till virvlar på den minsta möjliga skalan, innan energin vänder riktning och börjar flöda från små till större skalor.
Kan ge bättre hjärtklaffar
De här fynden skulle på sikt kunna få betydelse i flera branscher där turbulens och virveldynamik spelar en viktig roll, enligt forskarna.
– Flygplans och fordons aerodynamiska prestanda är ett sådant exempel, med potentiella vinster i både säkerhet och bränsleeffektivitet. Ett annat exempel från vår egen forskning är utformningen av mekaniska hjärtklaffar och planering av kliniska ingrepp för att behandla hjärtklaffsjukdom, säger Johan Hoffman.
Vetenskaplig artikel:
Turbulence generation supported by an inverse energy transfer through a zig-zag pattern, Scientific Reports.
