Od przepływu laminarnego do turbulencji
W przestrzennie ogrzewanych płynach ciepło może pochodzić z reakcji chemicznych lub biochemicznych, przejścia fazowego lub rozkładu radioaktywnego. Ogrzewanie przestrzenne odpowiada za konwekcję w chmurach i ma wpływ na warunki pogodowe. Odpowiada również za transport wilgoci w szklarniach i jej wpływ na pogodę i wzrost roślin. W przemyśle uczestniczy w wielu procesach w reaktorach jądrowych, w tym w odprowadzaniu ciepła rozkładu i konwekcji stopionych rdzeni reaktora. Wiele modeli obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) skupia się na w pełni rozwiniętym stanie turbulentnym. W ramach finansowanego przez UE projektu T2T-VHF (Transition to turbulence of volumetrically heated flows) starano się opracować modele matematyczne, które rejestrują przejście z jednorodnego przepływu laminarnego w chaotyczny przepływ turbulencyjny. Naukowcy badali w szczególności zachowanie prechaotyczne bifurkacji rozwiązań silnie nieliniowej równowagi dla nieściśliwych, przestrzennie ogrzewanych przepływów ścinających (VHSF) w długim kanale. Modele umożliwią powstanie konstrukcji dających możliwość sterowania tym przejściem i, po ujednoliceniu z modelami przepływów turbulentnych, dadzą całościowy obraz przepływu cieczy w całym zakresie przebiegu. Modelowanie przejścia do turbulencji VHSF przeprowadzono z wykorzystaniem zarówno analizy spektralnej stabilności jak i CFD (metody objętości skończonych). Pierwsza z nich w łatwy i szybki sposób identyfikuje stabilne i niestabilne stany przepływu, ale wymaga dokładnej reprezentacji uwzględnionych geometrii, co może być dość skomplikowane. Celem było stworzenie zestawu narzędzi ułatwiających poprawki kodu elementów skończonych w taki sposób, aby umożliwić modelowanie stanów przepływów w bardziej złożonych geometriach, co jest aktualnie niemożliwe przy stosowaniu metody spektralnej. Naukowcy skupili się na przestrzeni stanów złożonych wykrytych za pomocą analizy spektralnej stabilności dla warunków gradientu ciśnienia stałego. Umożliwiło im to w pełni zrozumieć przestrzeń stanów podczas przejścia z przewodzenia laminarnego poprzez konwekcję laminarną w niestabilny spójny przepływ falowy. Wyniki modelowania były w dużym zakresie zgodne z danymi eksperymentalnymi opisywanymi w literaturze. Wyniki prac zaprezentowano na kilku konferencjach i spotkaniach, jak również w czasopismach naukowych. Oczekuje się, że zaawansowane modele opisujące przejście VHSF z przepływu laminarnego w turbulentny w długim kanale zwiększą efektywność istniejących opisów. Mogą one znaleźć wiele zastosowań, od tworzenia schematów pogodowych po energię jądrową.
