Fluxo turbulento de Taylor-Couette, sem aspereza da superfície (imagens à esquerda, vista lateral e superior), e com rugosidade / riblets. Crédito:University of Twente
Turbulência nos oceanos, na atmosfera ou na indústria é bilhões de vezes mais forte do que em experimentos de laboratório. Simplesmente aumentar os resultados do laboratório não é uma opção. Teoricamente, Contudo, existe um regime de turbulência em que se aplicam as leis de escala. Pesquisadores da Universidade de Twente conseguiram alcançar esse 'regime final assintótico' de turbulência ao introduzir rugosidade na superfície em que o líquido turbulento flui. Eles apresentam suas descobertas em Física da Natureza de 12 de fevereiro.
Uma melhor compreensão da turbulência é um dos grandes desafios da física. A turbulência é encontrada em processos industriais, a atmosfera, e em fluxos em torno de navios ou aviões. Números Reynolds, que medem a força da turbulência, não pode ser alcançado no laboratório em uma escala realista, e são muito mais baixos do que nos processos da vida real. Ao medir o fluxo de calor no laboratório em turbulência mais fraca, os valores não podem ser simplesmente extrapolados para os números mais altos de Reynolds na natureza ou na indústria. Há, Contudo, uma teoria bem conhecida que revela mais sobre números de Reynolds infinitamente altos. Remonta a 1962. De acordo com esta teoria de Robert Kraichnan, quem foi o último assistente de Albert Einstein, existe um "regime final assintótico". Neste regime, o aumento de escala é possível. Melhor ainda, o regime agora pode ser alcançado com os baixos números de Reynolds que podem ser alcançados no laboratório. Este é um elo novo e indispensável entre teoria e prática.
Camada limite
Os cientistas do grupo de Física dos Fluidos do Prof. Detlef Lohse alteraram o fluxo do fluido na superfície introduzindo rugosidade. Para medir o fluxo turbulento, o grupo criou uma configuração chamada Twente Turbulent Taylor-Couette, em que o fluxo turbulento pode ser gerado entre dois cilindros girando independentemente um do outro. Em números Reynolds mais baixos, o fluxo perto da parede é turbulento, exceto para a camada limite, onde ainda é laminar. Movendo-se em direção a números de Reynolds mais altos, o fluxo como um todo será turbulento. Com a introdução das costelas na superfície, o fluxo na parede muda drasticamente, criando condições que normalmente só aconteceriam em turbulências muito mais fortes. Simulações por Ph.D. o estudante Xiajue Zhu e os experimentos de seu colega Ruben Verschoof são complementares nisso. A vantagem das simulações é que você obtém informações detalhadas da velocidade do fluxo em qualquer ponto, enquanto os experimentos podem ser feitos em números de Reynolds mais altos.
Este é o resultado de anos de simulação e experimentos. Simular um fluxo turbulento requer um grande poder de computação. Uma simulação em um único computador levaria 10 milhões de horas ou 1140 anos. Os pesquisadores, portanto, usaram supercomputadores em toda a Europa, usando 2.000 processadores em paralelo. Os experimentos são igualmente exigentes e no limite - a configuração Taylor-Couette, que é a maior e mais avançada máquina de seu tipo, tem motores que consomem 20 quilowatts de energia, enquanto um adicional de 20 kW é necessário para resfriar a configuração.