Turbolenza negli oceani, nell'atmosfera o nell'industria è miliardi di volte più forte che negli esperimenti di laboratorio. Il semplice upscaling dei risultati di laboratorio non è un'opzione. Teoricamente, però, c'è un regime di turbolenza in cui si applicano le leggi di scala. I ricercatori dell'Università di Twente sono riusciti a raggiungere questo "regime ultimo asintotico" della turbolenza introducendo rugosità sulla superficie in cui scorre il liquido turbolento. Presentano i loro risultati in Fisica della natura del 12 febbraio.

Una migliore comprensione della turbolenza è una delle grandi sfide della fisica. La turbolenza si trova nei processi industriali, l'atmosfera, e nei flussi intorno a navi o aerei. numeri di Reynolds, che misurano la forza della turbolenza, non può essere raggiunto in laboratorio su una scala realistica, e sono molto inferiori rispetto ai processi della vita reale. Quando si misura il flusso di calore in laboratorio a turbolenze più deboli, i valori non possono essere semplicemente estrapolati ai numeri di Reynolds più alti in natura o nell'industria. C'è, però, una teoria ben nota che rivela di più sui numeri di Reynolds infinitamente alti. Risale al 1962. Secondo questa teoria di Robert Kraichnan, chi fu l'ultimo assistente di Albert Einstein, c'è un "regime ultimo asintotico". In questo regime, l'upscaling è possibile. Anche meglio, il regime può ora essere raggiunto ai bassi numeri di Reynolds che possono essere raggiunti in laboratorio. Questo è un collegamento nuovo e indispensabile tra teoria e pratica.

Strato di confine

Gli scienziati del gruppo di Fisica dei Fluidi del Prof. Detlef Lohse hanno alterato il flusso del fluido in superficie introducendo rugosità. Per misurare il flusso turbolento, il gruppo ha creato un cosiddetto setup Twente Turbulent Taylor-Couette, in cui si potrebbe generare un flusso turbolento tra due cilindri che ruotano indipendentemente l'uno dall'altro. A numeri di Reynolds inferiori, il flusso vicino alla parete è turbolento tranne che per lo strato limite, dove è ancora laminare. Spostandoci verso numeri di Reynolds più alti, il flusso nel suo insieme sarà turbolento. Con l'introduzione delle nervature in superficie, il flusso al muro cambia drasticamente, creando condizioni che normalmente si verificherebbero solo in presenza di turbolenze molto più forti. Simulazioni di Ph.D. lo studente Xiajue Zhu e gli esperimenti del suo collega Ruben Verschoof sono complementari in questo. Il vantaggio delle simulazioni è che si ottengono informazioni dettagliate sulla velocità del flusso in un dato punto, mentre gli esperimenti possono essere fatti a numeri di Reynolds più alti.

Questo è il risultato di anni di simulazioni ed esperimenti. La simulazione di un flusso turbolento richiede un'enorme potenza di calcolo. Una simulazione su un singolo computer richiederebbe 10 milioni di ore o 1140 anni. I ricercatori hanno quindi utilizzato supercomputer in tutta Europa, utilizzando 2000 processori in parallelo. Gli esperimenti sono ugualmente impegnativi e al limite:la configurazione Taylor-Couette, che è la macchina più grande e avanzata del suo genere, ha motori che consumano 20 kilowatt di energia, mentre sono necessari altri 20 kW per raffreddare l'impianto.