Turbulens er et af de fundamentale problemer indenfor fysikkens verden. Et problem, som endnu ikke kan beskrives matematisk i alle dets former. Problemet er ikke kun forskningsmæssigt interessant, men også relevant for de mange virksomheder, der arbejder med turbulens i deres produkter.
Lektor Clara Velte på DTU har i løbet af de sidste fem år etableret et Centre of Exellence i turbulens. Centret omfatter to laboratorier samt udviklingen af nye metoder til at arbejde med turbulens for at kunne skabe et nyt teoretisk framework.
Sammen med sin forskningsgruppe har Clara Velte opbygget DTU’s turbulenslaboratorium med støtte fra Grundfos Fonden og et ERC Starting Grant. Foto: DTU
Resultatet af arbejdet er publiceret i flere videnskabelige artikler og kaster nyt lys over turbulens og dens dynamik.
”Indtil videre er vi nået frem til tre meget grundlæggende resultater, der er interessante i forhold til vores arbejde med at kunne beskrive nye aspekter af turbulens på baggrund af de styrende ligninger,” siger Clara Velte.
”Det første er at inddrage tid som et parameter i analysen af turbulens. Hidtil har tidsdimensionen været udeladt i analysen af ligningen bag beregningen af turbulens. Men ved at inddrage tid i analysen, bliver det muligt at se den dynamiske udvikling i al turbulens og på den måde kan man bedre forklare mange fænomener i turbulens der ændrer sig med tiden, for eksempel turbulens ved vindmøller, i pumper og forskellige sprays.”
Målte turbulensstrømninger opdeles i bølger
Den anden teoretiske nyskabelse er, at Clara Veltes forskningsgruppe ved hjælp af målinger, simuleringer og beregninger har vist, at en del af den eksisterende viden om turbulens er korrekt. Det drejer sig om Navier Stokes ikke-lineære lignings trekantsignaler, de såkaldte løsninger til Burgers ligning. Dem har man længe kendt, men ikke troet var mulige. Nu er det via de nye målinger og simuleringer bevist, at trekantsignalerne er rigtige.
”Det har vi kunnet vise med meget simple forsøg, hvor vi har filtreret støjen og andre forstyrrende effekter fra og dermed set, at der faktisk optræder den slags trekantssignaler i turbulensens hastighedssignaler,” siger Clara Velte.
Det tredje og sidste resultat er knyttet til en grundlæggende forståelse af symmetrien i turbulens, som man har observeret empirisk igennem grundlæggende ’similariteter’, men ikke kunnet forklare, hvordan opstod. Det kan Clara Velte nu forklare ved hjælp af Emmy Nöthers teori om grundlæggende symmetrier, der overføres til bevarelse af momentum, masse, energi osv., og som viser de underliggende mekanismer for sammenhængen og ligheden i similaritetsløsninger. DTU-forskerne har nu påvist, at den teori også er gældende for turbulens, og at dens symmetri dermed kan forklares.
Alt i alt er det tre væsentlige nye indsigter, som Clara Velte forklarer på denne måde:
”Helt overordnet kan man sige, at vi har udviklet metoder til at opdele vores laboratoriemålinger af turbulensstrømninger i bølger. Dermed er det blevet muligt for os at analysere dem matematisk og opnå de nye indsigter i dynamikken i turbulens.”
Sammen med sin forskningsgruppe har Clara Velte opbygget DTU’s turbulenslaboratorium med støtte fra Grundfos Fonden og et ERC Starting Grant. Foto: DTU
Målinger på grænsen af det mulige
I 2019 modtog Clara Velte et ERC starting grant og en bevilling fra Fonden til at opbygge et Centre of Excellence i turbulens ved DTU. ‘Opbygge’ skal forstås helt bogstaveligt, for laboratorierne består af en række komponenter og delelementer, som forskerne selv har sammensat og udviklet.
”Det har givet os mulighed for at gå helt til grænsen for, hvad der er muligt at måle for eksempel med laserlys. Men det har naturligvis også taget tid at opbygge, ligesom der fortsat mangler et par forbedringer for at nå det optimale resultat,” siger Clara Velte.
Clara Velte er derfor glad for den nye bevilling, hun har fået til sit arbejde fra Poul Due Jensens fond. Bevillingen skal til dels bruges på at optimere de sidste detaljer i laboratorierne, ligesom det har vist sig nødvendigt at opgradere den server, der anvendes til at opsamle data fra forsøgene.
”Vi troede indledningsvist, at det ville være et problem at sikre lagring af de mange data fra vores målinger. Det har vist sig at være mindre problematisk end forventet, men beregningsressourcerne har til gengæld ikke tilstrækkelig kapacitet til at processere data. I øjeblikket vil data fra nogle af vores forsøg tage op til tre år at processere, og den tid har vi ikke. Derfor skal vi have skiftet fra CPU til GPU, ligesom vi fremover vil arbejde med ’distributed processing’, der gennemfører parallelle beregninger.”
Deling af ny viden
Den nye bevilling skal dog først og fremmest bruges til at arbejde videre med at skabe ny og bedre viden om turbulens. En viden, der ikke blot skal offentliggøres i videnskabelige tidsskrifter, men som også skal spredes til de virksomheder, der har brug for en øget forståelse af turbulens.
”Vi samarbejder allerede med flere virksomheder, hvor turbulens udgør en vigtig del af deres produkter. Jeg er også ofte ude at holde foredrag, men vi vil gerne sprede vores viden og nye indsigter i turbulens til mange flere virksomheder på en lettilgængelig måde. Det kan måske være med korte ’mini-forelæsninger’ på vores hjemmeside eller lignende,” siger Clara Velte.
Clara Veltes vision er at erstatte den eksisterende teori om turbulens med en ny, der giver os mulighed for bedre at forstå, beskrive og i sidste ende beregne og forudse turbulens. Hendes hidtidige arbejde har bragt os et skridt videre på vej mod dette mål.