Turbulente strømninger er kaotiske og umulige at forudsige, selv ved hjælp af statistik. Sådan har det i hvert fald været indtil nu. Men lektor Clara Velte har tænkt sig at udfordre den sandhed med avanceret forsøgsudstyr og matematisk behandling af en kolossal mængde data.
Clara Velte har givet sig selv en stor opgave: Hun vil forsøge med ligninger at beskrive det, den amerikanske fysiker Richard Feynman kaldte det vigtigste uløste problem i klassisk fysik, turbulens. Og med opbakning fra to store fonde, Det Europæiske Forskningsråd, ERC, og Poul Due Jensens Fond, har hun netop indviet et avanceret forsøgslaboratorium i fluidhallen på DTU Mekanik. Her vil hun forsøge at kombinere empiri og teori til nye erkendelser.
Turbulens er et velkendt fænomen. Når mælken røres i kaffen, vandet løber ud af badekarret, eller røgen stiger op fra en flamme, dannes der hurtigt et mønster af hvirvler i strømmen. Så længe væsken eller gassen bevæger sig som en samlet masse med små hastigheder, opfører den sig forudsigeligt; man siger, den er laminar. Men så snart den når en kritisk hastighed, bliver den turbulent.
Selvom turbulensmønsteret er nyt hver gang, forventer man, at en bestemt type af strømning altid vil have samme grundlæggende karakteristikker og statistik. Men selv med statistiske beskrivelser kan vi i dag ikke forstå de strømme, der f.eks. skabes i en jetmotor, i kølvandet bag en vindmølle, eller når væsker pumpes hen over vægge. Og det er et problem i mange industrielle sammenhænge, at man ikke kan forudsige og modellere, hvordan turbulensen vil udvikle sig.
Bedre forståelse af turbulens
Hvert industrielt område har sin måde at tackle uforudsigeligheden på. Metoderne baserer sig på erfaringer om, hvordan flowet plejer at arte sig, men de kunne blive meget bedre, hvis man havde en dybere forståelse af, hvad der sker.
Med en bedre teori ville man bl.a. kunne gøre sin opblanding mere effektiv eller blive bedre til at kontrollere den. På golfbolde har man f.eks. små fordybninger i overfladen for at få strømningen rundt om bolden til at blive turbulent. Det øger nemlig opblandingen af energirig luft tæt på bolden og gør, at luftmodstanden bliver lavere, så bolden kan flyve længere. På en vindmøllevinge, derimod, kan det i nogle tilfælde være fordelagtigt at bibeholde den laminare strømning og undgå turbulens. Man kan f.eks. bruge såkaldte mikro-vortex-generatorer for at skabe den effekt. Men her mangler man en dybere forståelse af de processer, der fører til laminarisering.
”Det er ikke realistisk, at man nogensinde når til at forudsige, præcis hvilken retning hvirvlerne i et turbulent flow vil tage. Men vi tror, man kan beskrive turbulens bedre med statistik. Det vil vi i hvert fald forsøge i løbet af de næste fem år,” siger Clara Velte.
80 år gammel teori
I 1941 opstillede den russiske matematiker Andrey Kolmogorov en teori, der kunne forklare, hvordan energien i en strømning bliver spredt. Han lavede en analogi mellem de små og mellemstore hvirvler i turbulens og molekylerne i et termodynamisk system og antog, at de små hvirvler er i en slags ligevægt i forhold til hinanden.
Ifølge hans teori får alle hvirvler deres energi fra lidt større hvirvler, og til sidst bliver de mindste hvirvler til varme. Han mente ikke, at de små og mellemstore hvirvler ville påvirkes af de store hvirvlers dynamik.
Clara Velte forklarer med udgangspunkt i den kop te, hun sidder med:
”Teen er i ligevægt, selv om molekylerne i den bevæger sig hurtigt – væsken springer ikke op af sig selv, og bevægelsen følger den klassiske teori. Men der er mange tilfælde, hvor turbulensen er mere uforudsigelig, f.eks. når en strømning accelererer, som når man rører i teen, når diesel sprøjtes ind i en motor, eller når luften passerer rotorplanet på en vindmølle. Så opstår der såkaldte skærelag, hvor én del af strømmen er hurtigere end en anden. Og dér ser det ud til, at den klassiske teori bryder ned.”
Selv ikke de største computere kan løse de såkaldte Navier-Stokes-ligninger, som beskriver de turbulente bevægelser. Derfor må man ty til tilnærmelser og tommelfingerregler for at forklare, hvordan en pæn, glat strømning kan bryde op i kaotiske hvirvler.
Clara Velte mener i den forbindelse, at netop skærelagene er det mest interessante at studere, og med det nyindrettede laboratorium får hun en helt unik mulighed for at kombinere sine teorier med eksperimenter og dermed forhåbentlig blive i stand til at finde løsninger til de styrende ligninger for turbulente felter.
Tro er godt, viden er bedre
Clara Velte er uddannet civilingeniør på Chalmers tekniska högskola i Göteborg og kom til DTU som ph.d.-studerende efter sin kandidateksamen i 2005. Med sig havde hun en spirende idé, som hendes vejleder på Chalmers plantede, da han fortalte om manglerne i turbulensteorien.
DTU-ansættelsen blev permanent, og idéen blev efterhånden til en ansøgning hos flere fonde om midler til at indrette et forsøgslaboratorium. Det var ikke nogen nem opgave. Igen og igen fik hun afslag, men i stedet for at give op skærpede hun bare sine argumenter.
"Mange mener, at man har ’bevist’ den klassiske teori med forsøg. Men det kan man ikke. Man kan kun bekræfte, at forsøget evt. stemmer overens med ens observationer. Jeg kan finde tusind metoder til at måle, at Jorden er flad, mens andre målestrategier kan vise, at den krummer eller er næsten rund. Den måde, man udformer forsøget på, kan simpelthen påvirke resultatet. Med min forsøgsopstilling vil jeg presse grænserne for antagelserne i den klassiske teori – ikke mindst ligevægtsantagelsen. Jeg vil se på den faktiske fysik og finde ud af, hvordan den spiller sammen med vores teoretiske arbejde,” siger Clara og fortsætter:
”Alle ved, at den gamle teori ikke helt fungerer og blot bygger på antagelser. Men alligevel betragter man den som en naturlov. Det har nærmest udviklet sig som en religion. Hvis vi ender med at modbevise den gamle teori, så må det videnskabelige samfund jo acceptere det. Men det kan selvfølgelig også være, at vi ender med at konstatere, at store dele af den gamle teori virker. Og så håber vi, at vi kan vise, hvor den fejler, og hvorfor.”
Under alle omstændigheder håber Clara og hendes team, at de ender med at finde en mere nøjagtig beskrivelse af turbulens.
”Jeg ved – og det ved alle inderst inde – at der er et eller andet. Virksomhederne har i hvert fald problemer. Derfor viser de også interesse for vores arbejde, og jeg håber virkelig, vi kan hjælpe dem.”