ENGINEERINGNET.BE - Grote wervelingen produceren kleinere wervelingen bij turbulente, een proces dat directe of voorwaartse cascade heet.
Het omgekeerde is ook mogelijk: turbulentie kan ook energie van kleine naar grotere schalen overbrengen, ofwel inverse cascade.
Om patronen te genereren in een vloeistof dat directe en inverse cascades ervaart, zetten de onderzoekers een speciaal type viscositeit in dat geen energie afvoert, bekend als oneven of Hall-viscositeit.
“Zo konden we een nieuwe turbulente stromingstoestand creëren die nog niet eerder is bestudeerd”, zegt professor Federico Toschi van TU Eindhoven. Dankzij het toevoegen van oneven viscositeit en enkele variaties in het effect van oneven viscositeit, creëerden de onderzoekers in de stromingen vlekachtige patronen.
“Het simuleren van turbulentie in 3D-stromingen is lastig vanwege de bijbehorende rekenkosten”, zegt Toschi. “Dit komt omdat turbulentie iets is dat ontstaat door fysische processen over verschillende tijdsperioden, en over kleine en grote afmetingen.”
“De speciale oneven viscose eigenschappen van de vloeistof betekenden ook dat we hogere rekenkosten hadden dan voor de standaard modellering van turbulentie, die we normaal gesproken doen”, zegt promovendus Xander de Wit van TU Eindhoven.
Daarom ontwikkelden de onderzoekers zeer efficiënte computerprogramma's, uitgevoerd 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 gebruikten ze de rekenkracht die beschikbaar werd gesteld door SURFsara, de nationale superrekenfaciliteit in Nederland.
Er zijn diverse voorbeelden in de natuur waar het turbulente gedrag dat de onderzoekers bestudeerden kan worden waargenomen, maar de oneven viscositeit moet hiervoor vrij hoog zijn.
“Deze speciale omstandigheden kunnen worden bereikt in astrofysische systemen of in kwantumsystemen”, zegt de Wit. “Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat patronen in zonnewinden zich zo ontwikkelen.”
“We gaan nu aan de slag met het ontwerpen van laboratoriumexperimenten om te onderzoeken hoe we turbulentie kunnen controleren of vormen met behulp van slimme deeltjes.”
