p Um engenheiro da Caltech desvendou alguns dos segredos por trás da turbulência, um fenômeno muito estudado, mas difícil de definir, que mistura fluidos quando eles passam por um limite sólido. p Beverly McKeon, o Theodore von Kármán Professor de Aeronáutica na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas, estuda mecânica dos fluidos. Ela é especialista em fluxos turbulentos, ou tecnicamente falando aqueles com números de Reynolds altos. Esses tipos de fluxos são frequentemente vistos em tubos e ao redor de aeronaves e são de grande interesse, por exemplo, para engenheiros aeroespaciais.

p No limite onde um fluido flui sobre uma estrutura fixa, uma camada limite turbulenta é criada onde o fluido interage com a parede, criando redemoinhos na corrente. Esses redemoinhos podem parecer aleatórios à primeira vista, mas eles realmente criam padrões distintos, com incontáveis ​​redemoinhos minúsculos perto da parede; redemoinhos menos, porém maiores, localizados um pouco mais longe; e ainda menos, mas ainda maior, redemoinhos além daqueles. Esses redemoinhos têm um impacto significativo no fluxo de fluido, ajudando a determinar características como sua pressão, velocidade, e densidade, que são importantes para entender ao projetar uma aeronave ou tubulação industrial, por exemplo.

p Nas décadas de 1950 e 60, o matemático Alan Townsend, da Universidade de Cambridge, propôs que muitas das propriedades estatísticas importantes de um fluxo turbulento poderiam ser descritas com base neste conceito de redemoinhos como persistentes, padrões de fluxo organizados que são, em essência, "preso" a uma parede - mesmo sem uma compreensão clara do que esses redemoinhos realmente são. Nos anos 80 e 90, pesquisadores liderados por Tony Perry, Ivan Marusic, e seus colegas da Universidade de Melbourne da Austrália construíram a hipótese de Townsend para desenvolver o modelo "redemoinho anexado" de turbulência de parede, que tem se mostrado eficaz na descrição do comportamento estatístico do fenômeno comum.

p O modelo de redemoinho anexado é uma representação empírica da turbulência, obtido a partir da quantificação das características reais da turbulência, e, portanto, é considerado um modelo "estatístico". Os engenheiros também podem simular turbulência com modelos dinâmicos puramente matemáticos, que usam as equações de movimento para descrever a dinâmica física subjacente no sistema.

p Como analogia, pense na previsão do tempo. Se você compilou 100 anos de relatórios meteorológicos, você poderia derivar o tempo médio para uma área e fazer uma previsão razoável sobre como estará amanhã. Esse é um modelo estatístico. Se você, em vez disso, estudou cada um dos sistemas físicos que afetam o clima - o oceano, as nuvens, a topografia - você pode criar um modelo que preveja o tempo com base nas várias entradas desse sistema. Esse é um modelo dinâmico.

p Um modelo estatístico é mais fácil de processar, mas um modelo dinâmico não é escravo do passado; porque tenta descrever e entender o que impulsiona o sistema como um todo, é capaz de prever mudanças futuras no sistema que podem estar fora das normas médias. E como o clima, turbulência é um fenômeno dinâmico e em constante mudança.

p O problema, Contudo, é que simular algo tão complexo como turbulência usando as equações de movimento é incrivelmente complexo, tarefa desafiadora computacionalmente, McKeon diz. Imagine tentar desmontar um carro inteiro com apenas uma chave inglesa. Você pode eventualmente fazer o trabalho, mas vai demorar muito tempo e energia.

p McKeon encontrou uma maneira de unir os modelos empíricos e matemáticos ao criar uma descrição da turbulência derivada de equações que explora o fato de que a turbulência cria estruturas previsivelmente repetitivas. A forma e a estrutura dos redemoinhos em turbulência são geometricamente semelhantes, o que significa que cada um dos redemoinhos são idênticos, apenas em escalas diferentes, semelhante a um padrão fractal.

p Quantificando matematicamente essas repetições, McKeon foi capaz de formular um modelo dinâmico que descreve a turbulência usando uma espécie de taquigrafia, permitindo extrapolar a aparência do sistema geral com base em uma visão ampliada de apenas alguns redemoinhos. Porque descreve um sistema incrivelmente grande e complexo, resumindo-o a um simples, componente de repetição, O modelo de McKeon pode gerar modelos matematicamente úteis de sistemas turbulentos usando muito menos poder de computação do que era necessário anteriormente.

p "Nós sabíamos disso, subjacente a essas estruturas muito complicadas, tinha que haver um padrão muito simples. Só não sabíamos qual era esse padrão até agora, "diz McKeon, quem planeja a seguir se aprofundar no modelo para quantificar quantos redemoinhos devem ser incluídos para criar uma representação precisa do todo.

p O modelo pode ser útil para engenheiros de toda a indústria que procuram simular sistemas turbulentos com mais facilidade. Mas mais importante, representa uma pesquisa fundamental que ajudará cientistas e engenheiros a entender melhor o que impulsiona esses sistemas turbulentos.

p O estudo de McKeon é intitulado "Hierarquias auto-semelhantes e redemoinhos anexados" e foi publicado por Fluidos de revisão física em 26 de agosto.