Ulepszone opisy przepływów turbulentnych
Większość przepływów płynów, i to zarówno cieczy, jak i gazów, odbywa się w sposób turbulentny. W odróżnieniu od przepływu laminarnego, kiedy to płyn porusza się po gładkich ścieżkach lub warstwach, w przepływie turbulentnym zachodzą ciągłe zmiany prędkości i kierunku. Stworzenie kompletnego i dokładnego opisu przejścia od przepływu laminarnego do turbulentnego pozostaje jednym z nierozstrzygniętych wyzwań współczesnej nauki, i to pomimo wszechobecności tego zjawiska i jego dużego znaczenia w wielu dziedzinach. Naukowcy pracujący przy finansowanym ze środków UE projekcie T2T-VDG (Transition to turbulence in ventilated double glazing) opracowali nowatorskie techniki numeryczne pozwalające z dużą dokładnością identyfikować przejścia w stan turbulentny. Konwencjonalne metody opierały się dotychczas na podejściach statystycznych (równaniach Naviera-Stokesa) wykorzystujących właściwości przepływu płynów uśrednione w czasie. Ostatnio udało się uzyskać spójne rozwiązania o uniwersalnym zastosowaniu z użyciem metody opartej na nieliniowych równaniach różniczkowych. Zastosowane podejście deterministyczne bazujące na użyciu sekwencji bifurkacji nie wymaga żadnych założeń apriorycznych ani wiedzy empirycznej (wynika bezpośrednio z zasad elementarnych). Naukowcy połączyli to podejście z analizą stabilności polegającą na wykonywaniu dynamicznego równoważenia z użyciem tradycyjnych równań Naviera-Stokesa na ruchomych przedziałach przepływu płynu. Tworzona w ten sposób analiza stabilności jest wyjątkową cechą oprogramowania obliczeniowego T2T-VDG. Połączenie wielu metod matematycznych pozwoliło uchwycić proces przejścia przepływu oderwanego do turbulencji i zdefiniować zaawansowane metody kontrolowania takich przejść. U podstaw podejścia opartego na sekwencji bifurkacji leży analiza przejścia do turbulencji po serii hierarchicznych bifurkacji. Do określania bifurkacji wykorzystano ich cechy łamania symetrii, przy czym pierwsza bifurkacja następuje z powodu niestabilności jednorodnego stanu podstawowego. W ramach projektu badacze zastosowali opracowane metody do identyfikowania potencjalnych punktów bifurkacji dla przepływu trzeciego rzędu i określania stabilności tego przepływu w celu identyfikowania punktów bifurkacji rzędu czwartego i dalszych. Wykorzystanie w zestawie narzędzi uproszczonych metod obliczeniowych przy bifurkacjach wyższego rzędu pozwala skrócić czas obliczeń przy utrzymaniu dokładności. Zespół badawczy stworzył narzędzie oprogramowania pozwalające identyfikować drzewo bifurkacji dla przejść od przepływu laminarnego do turbulentnego związanych ze złożonymi geometriami. Opracowane rozwiązanie jest uniwersalne i będzie cenne zarówno dla przemysłu europejskiego, jak i dla rozwoju naukowego na całym świecie.
Słowa kluczowe
Przepływ turbulentny, zestaw narzędzi obliczeniowych, przepływ laminarny, bifurkacje, turbulencja, okna podwójne
