Un algoritmo che migliora le simulazioni dei flussi turbolenti consentendo il calcolo accurato di un parametro chiamato attrito cutaneo è stato sviluppato dai ricercatori KAUST in collaborazione con i ricercatori del California Institute of Technology. L'applicazione di questo algoritmo può aiutare le industrie aerospaziale e navale nella loro corsa allo sviluppo di trasporti più efficienti dal punto di vista dei consumi.
Calcolo del flusso turbolento su corpi tozzi, come sfere o cilindri, è fondamentale per molte applicazioni pratiche di ingegneria. Però, il gran numero di parametri coinvolti nella risoluzione delle simulazioni di turbolenza con elevata precisione significa che i ricercatori devono prendere scorciatoie, in genere solo grandi, vortici simili a vortici sono calcolati esattamente, mentre scale di movimento più piccole possono essere modellate solo con approssimazione.
Sebbene le simulazioni di grandi vortici abbiano riprodotto con successo molti tipi di turbolenza, hanno ancora problemi con un fenomeno noto come crisi della resistenza. Normalmente, la scia turbolenta che segue un oggetto in movimento determina la quantità di trascinamento che produce. Ma a determinate condizioni, uno strato limite vorticoso si attacca al corpo e riduce le dimensioni della scia, e il trascinamento associato, anche quando la velocità del flusso intorno ad esso aumenta. Fossette sulle palline da golf, Per esempio, sono specificamente progettati per ridurre la velocità con cui si verifica la crisi di resistenza, consentendo ai golfisti di guidare la palla molto più lontano di quanto potrebbero usando una palla liscia.
Secondo il fisico KAUST Ravi Samtaney, uno dei problemi con la previsione degli effetti della crisi di trascinamento è catturare i sottili cambiamenti negli strati limite e nell'attrito all'interno di dinamiche dei fluidi molto complesse. "I calcoli della forza bruta non sono possibili:il flusso esatto su un Boeing 777 richiederebbe più punti dati del numero di byte sull'intera Internet, " dice. "Dovevamo trovare un metodo migliore per modellare piccole scale di movimento".
Il team si è reso conto che l'attrito della pelle, una forza tangenziale spesso trascurata esercitata da oggetti bluff sui fluidi, potrebbe fornire una chiave per comprendere il meccanismo fisico della crisi del drag. Hanno studiato un modello in cui il fluido scorre su un cilindro a pareti lisce e pareti fisiche realistiche generano effetti di turbolenza. Incorporando metodi per il calcolo accurato dell'equazione di attrito pelle nel loro codice, hanno risolto le modifiche alla turbolenza vicino al muro che includevano separazioni e bolle sorprendentemente instabili all'interno degli strati limite nella zona di crisi della resistenza. Ciò ha permesso loro di identificare la fisica che controlla l'inizio della crisi di resistenza all'aumentare della velocità del fluido.
"Il calcolo dell'attrito della pelle è complicato perché è definito proprio sulla superficie del cilindro, " spiega il ricercatore KAUST, Wan Cheng. "Anche se contribuisce solo per una piccola percentuale alla resistenza totale, è in definitiva legato alle forze che agiscono sul cilindro ed è un potente strumento per la visualizzazione diretta della dinamica dei fluidi durante le crisi di trascinamento.
"Le simulazioni a grandi vortici sono il futuro della fluidodinamica computazionale nelle applicazioni industriali e aerodinamiche, e l'attrito della pelle può essere una misura importante nell'ottimizzazione di questo design", osserva Samtaney.
