Utilizando ecuaciones centenarias de movimiento de fluidos, las supercomputadoras se pueden utilizar para simular el flujo turbulento con gran detalle. Pero los físicos teóricos aún no están seguros de cómo funcionan realmente estas ecuaciones. Un grupo dirigido por el profesor Luca Biferale de la Universidad de Roma Tor Vergataha llevado a cabo simulaciones de vanguardia del flujo turbulento bajo rotación, que no solo son aplicables a situaciones de la vida real, como los sistemas climáticos, sino que también pueden proporcionar información sobre las ecuaciones en sí.
¿Qué puedes encontrar en el aire, en un avión o incluso en el fondo de tu corazón?
No, la respuesta no es amor. Es, por supuesto, un flujo turbulento: el movimiento caótico e impredecible de fluidos a través del espacio y el tiempo. Ha causado dolores de cabeza a físicos y matemáticos durante siglos, y sigue siendo uno de los másimportantes problemas de física clásica sin resolver por ahí.
"El flujo turbulento está en todas partes, dentro de los vasos sanguíneos, en los sistemas climáticos atmosféricos, en el aire que se mueve a través de los motores de los aviones, por lo que, naturalmente, los físicos están fascinados", dice el profesor Luca Biferale de la Universidad de Roma. Las reglas que describenEl movimiento de los fluidos, las ecuaciones de Navier-Stokes, se conocen desde hace más de 200 años, pero, sorprendentemente, todavía no se comprenden por completo, lo que deja a los físicos teóricos en la curiosa posición de poder simular sistemas de flujos turbulentos encomputadoras sin saber realmente cómo funcionan
"Tenemos estas ecuaciones fantásticas que describen el movimiento de los fluidos, pero no podemos usarlas para predecir la naturaleza exacta del flujo turbulento. Por lo tanto, conectamos estas ecuaciones en supercomputadoras y realizamos experimentos virtuales para que podamos observar empíricamenteflujo. Esto a su vez nos permite probar nuestras herramientas teóricas de maneras que no podemos hacer con experimentos reales en un laboratorio ".
Un grupo dirigido por Biferale ha estado coordinando el proyecto NewTURB, que está utilizando simulaciones para investigar el flujo turbulento bajo rotación. La comprensión de la dinámica de los fluidos en esta condición tiene muchas aplicaciones debido al hecho de que la Tierra gira sobre su eje mientras orbitael Sol. Esto significa que los océanos, la atmósfera y el manto interno de nuestro planeta están sujetos a la fuerza de rotación.
Sin embargo, el problema de estudiar algo tan difícil de manejar como el movimiento del aire es que es bastante difícil de medir con gran detalle en el laboratorio. De hecho, es casi imposible ". Aquí es donde las simulaciones entran en juego,"dice Biferale." En una computadora, tienes más libertad que en un laboratorio. Por ejemplo, podemos ver el flujo sin límites, es decir, en un espacio infinito hipotético, que en un laboratorio, por supuesto, es imposible. Esto ayuda a obtenerdeshacerse de los problemas relacionados con el movimiento del fluido afectado por estar en un contenedor.
"Básicamente, podemos simplificar el problema manteniendo los ingredientes físicos principales y luego realizar experimentos numéricos en esta configuración idealizada"
En las simulaciones, los investigadores aumentaron y aumentaron la velocidad de rotación en un flujo turbulento para ver qué sucedía cuando las leyes que rigen el movimiento de los fluidos se colocaron en condiciones extremas. Lo que vieron fue que en algún momento, hubo una transición enel flujo, que conduce a la formación de grandes estructuras tipo tornado orientadas en la dirección de la rotación. "Lo interesante es que estas estructuras solo aparecieron después de alcanzar un nivel de rotación muy específico", dice Biferale. "Si la rotación fueno lo suficientemente fuerte, no había señales de ellos "
Después de estudiar cómo cambió el flujo durante la formación de estas estructuras tipo tornado, Biferale y sus colegas analizaron otra cuestión relacionada. La turbulencia se puede estudiar de dos maneras. Un enfoque euleriano observa un espacio fijo y observa cómo fluye el fluidoes muy parecido a sentarse en la orilla de un río y observar el flujo del agua más allá de un punto fijo. Un enfoque lagrangiano observa a un objeto individual que se mueve a través del espacio y el tiempo por el flujo, como ver una corriente que baja la hoja.
Entonces, después de haber examinado la formación de las estructuras parecidas a tornados en sus simulaciones de flujo iniciales, el enfoque euleriano, los investigadores trataron de ver cómo podían transportar algo, el enfoque lagrangiano ".es realmente otra forma de ver el mismo problema, que nos dice aún más sobre este tipo de flujo ", dice Biferale." Una aplicación de estas simulaciones lagrangianas es que puede decirnos qué sucede con los contaminantes si entran a la atmósfera yson transportados por este tipo de estructuras de flujo ". El grupo de Biferale son líderes mundiales en simulaciones numéricas de la turbulencia lagrangiana, y el poder de supercomputación proporcionado por PRACE les ha permitido observar miles de millones de partículas a medida que fluyen a través del espacio y el tiempo, proporcionando información cuantitativa sobreprocesos turbulentos a niveles sin precedentes. El proyecto NewTURB es el primero en haber estudiado la turbulencia lagrangiana en un flujo rotativo, y los resultados se publicaron recientemente.d en la Revisión física X.
Una pregunta que podría hacer sobre este tipo de investigación: si las simulaciones se llevan a cabo en condiciones tan idealizadas, ¿son realmente útiles cuando se aplican a aplicaciones de la vida real? "Siempre respondo esta pregunta de dos maneras", dice Biferale."En primer lugar, le digo a la gente: ¡esta investigación no es útil en absoluto! Estamos buscando llevar a cabo una investigación básica y si fuera inmediatamente útil, entonces ya no sería una investigación básica.
"Por supuesto, estoy bromeando cuando digo eso, porque nuestra investigación es realmente muy útil de alguna manera. En todas las situaciones aplicadas de turbulencia, siempre tendrá límites, a diferencia de nuestra investigación. Pero, aunque esto síafecta el flujo, una vez que te alejas un poco del límite, comienzas a ver las mismas estructuras que en nuestras condiciones idealizadas. Esto se conoce como la universalidad de la turbulencia, el hecho de que vemos las mismas estructuras emergiendo en todos los turbulentosSi los cambios leves en las condiciones de contorno o la inyección de energía causaran flujos muy diferentes, solo los ingenieros estarían interesados, pero debido a que vemos estas similitudes robustas, nosotros los físicos teóricos podemos decir cosas sobre los flujos en cualquier situación con cierto gradode precisión
"Lo que encuentro realmente interesante es que, aunque sabemos que existe esta universalidad, no podemos probarla a partir de las ecuaciones de movimiento. Podemos observar empíricamente esta universalidad en nuestras simulaciones e incluso superponerla sobre los datos tomados de los flujos rotativos observados en los laboratorios, pero no podemos probar a partir de las ecuaciones de movimiento que todos los flujos turbulentos se comporten de la misma manera en cierta medida. Y es esto, como físicos teóricos, lo que estamos tratando de hacer lenta pero seguramente ".
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Materiales proporcionado por PRACE . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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