Em 1942, Ludwig Prandtl - considerado o pai da aerodinâmica moderna - publicou "Führer durch die Strömungslehre, "o primeiro livro de seu tempo sobre mecânica dos fluidos e traduzido para o inglês da língua alemã em 1952 como" Essentials of Fluid Mechanics ". O livro foi excepcionalmente bem-sucedido, de modo que os alunos de Prandtl continuaram a manter e desenvolver o livro com novas descobertas após sua morte . Hoje, o trabalho está disponível sob o título revisado "Prandtl - Essentials of Fluid Mechanics, "como uma versão expandida e revisada do livro original com contribuições de pesquisadores líderes no campo da mecânica dos fluidos.

Ao longo dos anos, as últimas três páginas do livro original de Prandtl, focando nos ventos da montanha e do vale, têm recebido alguma atenção da comunidade de pesquisa meteorológica, mas as páginas específicas foram amplamente negligenciadas pela comunidade da mecânica dos fluidos a ponto de o conteúdo e as soluções matemáticas exatas terem desaparecido na versão expandida atual do livro. Mas hoje, na era dos supercomputadores, Inanc Senocak, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Escola de Engenharia Swanson da Universidade de Pittsburgh, está encontrando novos insights sobre o trabalho original de Prandtl, com implicações importantes para a previsão do tempo noturno em terreno montanhoso.

Drs. Senocak e Cheng-Nian Xiao, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório do Dr. Senocak, escreveu recentemente um artigo intitulado "Stability of the Prandtl Model for Katabatic Slope Flows, "publicado no Journal of Fluid Mechanics . Os pesquisadores usaram a teoria da estabilidade linear e simulações numéricas diretas para descobrir, pela primeira vez, instabilidades de fluidos no modelo de Prandtl para escoamentos de declive catabáticos.

Fluxos de encostas catabáticas são ventos impulsionados pela gravidade comuns sobre grandes mantos de gelo ou durante a noite em encostas de montanhas, onde o ar frio flui colina abaixo. Compreender esses ventos é vital para previsões meteorológicas confiáveis, que são importantes para a qualidade do ar, aviação e agricultura. Mas a complexidade do terreno, a estratificação da atmosfera e a turbulência fluida dificultam a modelagem computacional dos ventos ao redor das montanhas. Uma vez que o modelo de Prandtl não define as condições para quando um fluxo de declive se tornaria turbulento, essa deficiência torna isso difícil, por exemplo, prever o tempo para a área ao redor de Salt Lake City, em Utah, onde as inversões prolongadas da área criam um ambiente desafiador para a qualidade do ar.

"Agora que temos supercomputadores mais poderosos, podemos melhorar a complexidade do terreno com melhores resoluções espaciais no modelo matemático, "diz o Dr. Senocak." No entanto, os modelos numéricos de previsão do tempo ainda usam modelos simplificados que se originaram em uma época em que o poder de computação era insuficiente. "

Os pesquisadores descobriram que, embora o modelo de Prandtl seja propenso a instabilidades únicas de fluidos, que surgem em função do ângulo de inclinação e um novo número adimensional, eles nomearam o parâmetro de perturbação da estratificação como uma medida da perturbação para a estratificação de fundo da atmosfera devido ao resfriamento na superfície. O conceito de números adimensionais, por exemplo, o número Reynolds, desempenha um papel importante nas ciências térmicas e de fluidos em geral, pois capturam a essência dos processos concorrentes em um problema.

Uma implicação importante de sua descoberta é que, para um determinado fluido, como o ar, a estabilidade dinâmica dos fluxos de declive catabático não pode ser determinada simplesmente por um único parâmetro adimensional sozinho, como o número de Richardson, como é praticado atualmente na comunidade de meteorologia e dinâmica de fluidos. O número de Richardson expressa uma razão de flutuabilidade para o cisalhamento do vento e é comumente usado na previsão do tempo, investigando correntes nos oceanos, lagos e reservatórios, e medir a turbulência do ar esperada na aviação.

"Um conceito abrangente estava faltando, e o número de Richardson foi o substituto, "diz o Dr. Senocak." Não estamos dizendo que o número de Richardson é irrelevante, mas quando uma montanha ou vale é protegido dos movimentos do tempo em grande escala, não entra em cena. Agora temos uma maneira melhor de explicar a teoria desses fluxos de declive e vale abaixo. "

Esta descoberta não será apenas importante para a agricultura, aviação e previsão do tempo, de acordo com o Dr. Senocak, mas também será vital para a pesquisa de mudanças climáticas e aumento do nível do mar associado, já que a previsão precisa dos perfis catabáticos do vento de superfície sobre grandes mantos de gelo e geleiras é crítica no balanço de energia do gelo derretido. Ele observa que mesmo na comunidade de dinâmica de fluidos, espera-se que a descoberta deste novo tipo surpreendente de instabilidade desperte muito interesse em pesquisas.

Próximo, O Dr. Senocak está aconselhando e patrocinando uma equipe sênior de design para ver se os pesquisadores podem realmente observar essas instabilidades de fluidos no laboratório em uma escala muito menor do que uma montanha.