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New eddy-simulation concepts and methodologies
for frontier problems in Turbulence

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Suavizar los baches: una investigación brinda información novedosa sobre la dinámica de la turbulencia

Un equipo de investigadores financiado con fondos europeos utilizó métodos de simulación numérica avanzados en aras de comprender mejor los mecanismos que rigen la dinámica de la turbulencia. La simulación y los resultados teóricos revelaron la importancia de la simetría especular en la evolución general de flujos turbulentos.

Investigación fundamental

La turbulencia puede observarse normalmente en fenómenos cotidianos, como en los ríos caudalosos, en el humo de una chimenea o en el aire alrededor de las alas de los aviones. También está presente en las intensas corrientes oceánicas, la lava expulsada por un volcán o en el espacio intergaláctico. De hecho, el flujo de la mayoría de los fluidos es turbulento, incluido el movimiento de la sangre en nuestras arterias. Aunque la turbulencia forma parte de nuestra realidad diaria, los mecanismos que subyacen a este fenómeno irregular son difíciles de controlar y comprender. El flujo turbulento, provocado por un exceso de energía cinética que supera los efectos de la viscosidad del fluido, es por naturaleza irregular y, por lo tanto, difícil de predecir. «Las interacciones dentro de un flujo turbulento dan lugar a un fenómeno muy complejo que ningún algoritmo actual puede describir con precisión. El progreso en el campo ha sido tan lento que, actualmente, ni siquiera existen recursos computacionales que puedan realizar una simulación elemental del flujo del aire alrededor del ala de un avión. Por lo tanto, ingenieros y matemáticos aplicados recurren a la construcción y el uso de modelos matemáticos para predecir los efectos de la turbulencia», explica Luca Biferale, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos NewTURB (New eddy-simulation concepts and methodologies for frontier problems in Turbulence).

Modelización de la turbulencia a múltiples escalas

El flujo turbulento abarca un amplio rango de escalas de longitud, por lo que es tremendamente difícil considerarlas todas en una simulación numérica debido a que los sistemas computacionales de última generación requieren grandes cantidades de tiempo de cálculo. En este contexto, el equipo de NewTURB se propuso desarrollar un conjunto de modelos a múltiples escalas a fin de realizar cálculos de alto rendimiento que permitan superar estas limitaciones. La idea fundamental era llevar a cabo una eliminación «quirúrgica» del número de parámetros —grados de libertad— que definen la configuración turbulenta a través de la modificación de las ecuaciones de Navier-Stokes de manera controlada. «Nuestro objetivo principal era predecir en qué condiciones el flujo turbulento tiende a acumular la energía de las fuerzas de agitación a gran escala o a disiparla a escalas muy pequeñas. El primer caso sería similar al de un gran tornado (véase la imagen) en la atmósfera, mientras que el segundo se parecería a un remolino milimétrico pero intenso como los que se crean dentro de los motores de combustión interna», comenta Biferale. Gracias al empleo de modelos matemáticos y la informática de alto rendimiento, el equipo del proyecto demostró que un conjunto de interacciones quirales que modifican la simetría especular —y la helicidad del flujo— pueden alterar el comportamiento del flujo turbulento. Esta propiedad previamente desconocida debería considerarse ahora como una propiedad básica en todos los fluidos incompresibles.

Identificación de las leyes universales que rigen la turbulencia

Desentrañar las propiedades estadísticas universales que comparten todos los flujos turbulentos, independientemente de sus diferentes mecanismos subyacentes o sus geometrías de flujo específicas, constituye un reto inveterado. Biferale señala: «Corroborar la hipótesis de la universalidad en la turbulencia ha sido un “santo grial” para los físicos en este campo. Aunque no podemos demostrar la universalidad de las ecuaciones que rigen el sistema, sabemos por experimentos de laboratorio y numéricos que se cumple para fluctuaciones turbulentas a pequeña escala, recuperando un comportamiento estadístico perfectamente simétrico de rotación». Por lo tanto, diferenciar las propiedades universales de las no universales en flujos turbulentos en rotación o por cizalladura a todas las escalas ha constituido el objetivo principal del trabajo del proyecto, tanto en relación con el campo de flujo como con la advección de partículas por parte de este.

Problema no resuelto

NewTURB dilucidó aspectos importantes de la dinámica del flujo turbulento gracias a pruebas inequívocas derivadas de las simulaciones numéricas. «Con todo, aún estamos lejos de ofrecer una descripción completa de la turbulencia. Tenemos muy pocas pruebas basadas en las ecuaciones de movimiento. La turbulencia es uno de los problemas sin resolver más antiguos de la física», concluye Biferale.

Palabras clave

NewTURB, turbulencia, simulación numérica, dinámica multiescala, informática de alto rendimiento, datos masivos, ecuaciones de Navier-Stokes, simetría especular

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