Nya upptäckter om hur turbulens fungerar

Datasimuleringar som gjorts vid KTH tyder på att mycket små virvlar tillsammans kan skapa allt större virvlar i flödet – motsatsen till den traditionella bilden av hur energi överförs i turbulens. 

Virvlar, som ofta syns i naturen – från strömvirvlar till galaxers form – är en av de viktigaste flödesstrukturerna som driver turbulens. Den dominerande idén under de senaste 100 åren är att stora virvelrörelser i en vätska bryts ned i mindre och mindre virvlar, och att energin förs vidare nedåt i längdskalan tills den till slut försvinner – en process som kallas det framåtriktade kaskadflödet. 

Johan Hoffman, professor i numerisk analys vid KTH, säger att det inte finns någon anledning att överge den förklaringen – men att vetenskapen nu behöver vara öppen för möjligheten att det kan finnas också en annan process.

Studien publicerades i Scientific Reports. 

Johan Hoffman och medförfattare Joel Kronborg, doktorand vid KTH, initialiserade simuleringen med två stora motroterande virvlar. Dessa stora virvlar skapade ett mycket starkt töjningsfält – ett område där vätskan sträcks ut i en riktning och pressas samman i en annan. Det töjningsfältet gav upphov till de små virvlarna. 

Dessa småskaliga virvlar organiserade sig sedan i mönster vars samlade rörelse gav upphov till flöde på större skalor. Johan Hoffman säger att teamet använde avancerad matematik för att dela upp flödet i grundläggande delar och förklara varför de små virvlarna uppstod och hur de betedde sig. 

Johan Hoffman säger att resultaten inte utesluter att energi också överförs i den framåtriktade riktningen, från stora till små virvlar. 

 – Ibland kan båda sakerna ske samtidigt. Detta är också det första steget i den nya mekanismen, där energi överförs från stora virvlar till virvlar på den minsta möjliga skalan, innan energin vänder riktning och börjar flöda från små till större skalor, säger Johan Hoffman.

– Resultatet kan på sikt påverka en rad branscher och tillämpningar där turbulens och virveldynamik spelar en viktig roll, säger Johan Hoffman.

– Flygplans och fordons aerodynamiska prestanda är ett sådant exempel, med potentiella vinster i både säkerhet och bränsleeffektivitet. Ett annat exempel från vår egen forskning är utformningen av mekaniska hjärtklaffar och planering av kliniska ingrepp för att behandla hjärtklaffsjukdom.

Vetenskaplig publicering:

Turbulence generation supported by an inverse energy transfer through a zig-zag pattern

https://doi.org/10.1038/s41598-026-41372-y

För ytterligare information kontakta:

Johan Hoffman, professor i numerisk analys vid KTH, tel. 0708-464586, e-post: jhoffman@kth.se