Enorme rekenkracht om turbulente stromingen te bestuderen

ENGINEERINGNET.BE – Grote wervels produceren kleinere wervels tijdens turbulentie, een proces dat directe of directe cascade wordt genoemd.

Het tegenovergestelde is ook mogelijk: turbulentie kan ook energie overbrengen van kleine naar grotere schaal, of in omgekeerde cascade.

Om patronen te genereren in een vloeistof die voorwaartse en achterwaartse cascades ondergaat, gebruiken onderzoekers een speciaal type viscositeit dat geen energie dissipeert, bekend als oneven of Hall-viscositeit.

“Op deze manier konden we een nieuwe turbulente stromingstoestand creëren die nog niet eerder was onderzocht”, zegt professor Federico Toschi van de Technische Universiteit Eindhoven. Door vreemde viscositeit en enkele variaties in het vreemde viscositeitseffect toe te voegen, creëerden de onderzoekers puntachtige patronen in de stromen.

“Het is moeilijk om turbulentie in 3D-stromen te simuleren vanwege de bijbehorende rekenkosten”, zegt Toschi. “Dit komt omdat turbulentie iets is dat voortkomt uit fysieke processen over verschillende tijdsperioden en in kleine en grote maten.”

‘De bijzondere vreemde viscositeitseigenschappen van de vloeistof zorgden er ook voor dat we hogere rekenkosten hadden dan voor de standaard turbulentiemodellering die we normaal doen’, zegt promovendus Xander de Wit van de TU Eindhoven.

Daarom ontwikkelden onderzoekers zeer efficiënte computerprogramma’s, gerund door supercomputers, om de Navier-Stokes-vergelijkingen voor turbulente stromingen op te lossen.

De onderzoekers gebruikten meer dan 3 miljoen CPU-uren om deze vergelijkingen op te lossen. Hiervoor maakten ze gebruik van de rekenkracht van SURFsara, het nationale supercomputercentrum van Nederland.

Er zijn verschillende voorbeelden in de natuur waar het turbulente gedrag dat de onderzoekers bestudeerden kan worden waargenomen, maar daarvoor moet de vreemde viscositeit behoorlijk hoog zijn.

‘Deze bijzondere omstandigheden kunnen worden bereikt in astrofysische systemen of in kwantumsystemen’, zegt de Wit. “Er wordt bijvoorbeeld gedacht dat zonnewindpatronen zich op deze manier ontwikkelen.”

“We zullen nu beginnen met het ontwerpen van laboratoriumexperimenten om te onderzoeken hoe we turbulentie kunnen beheersen of vormgeven met behulp van slimme deeltjes.”