خوارزمية تُحسِّن محاكاة التدفقات المضطربة

 تكشف المحاكاة النظرية كيف يمكن أن يكون للتغيرات الطفيفة في الاحتكاك على سطح جسم ما تأثير كبير على مقاومة المائع.

تم تطوير خوارزمية تُحسِّن محاكاة التدفقات المضطربة عن طريق إتاحة إجراء قياس دقيق لمُعامِل يُدعى الاحتكاك السطحي، وذلك على يد باحثين بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)ومعهد كاليفورنيا للتقنية. وربما يساعد تطبيق هذه الخوارزمية قطاعات الطيران والشحن في تطوير وسائل نقل أكثر كفاءةً في استهلاك الوقود.

        إن حساب التدفق المضطرب على الأجسام ذات الأسطح العريضة كالكرات أو الأسطوانات، له تطبيقات هندسية عملية عديدة. غير أن العدد الكبير من العوامل المُتضمَّنَة في حل معادلات محاكاة الاضطراب على نحو دقيق، يعني أن على الباحثين اتخاذ طرق مختصرة، لذا عادةً ما يتم حساب الحركات الدوامية الكبيرة فقط بدقة، في حين يمكن نمذجة الحركات الأصغر نطاقًا على نحو تقريبي.     

        إن محاكاة الدوامات الكبيرة عملية محيرة بسبب ظاهرة تُعرَف بأزمة مقاومة المائع. إن التفسيرات التقليدية لهذه التغيرات المفاجأة في مقاومة المائع تُعزى إلى الانتقال المضطرب، الذي يُغير نمط التدفق على سطح الجسم. غير أن تلك التفسيرات غامضة، ولا تُقدِّم فهمًا كاملًا للظاهرة.

        يوضح الفيزيائي رافي سامتاني أن إحدى المشكلات المتعلقة بالتنبؤ بتأثيرات أزمة مقاومة المائع، تكمن في التقاط التغيرات الطفيفة في الطبقات الحدودية، والاحتكاك داخل ديناميكا الموائع المعقدة.

        ويوضح وان تشينج -الباحث في كاوست- قائلًا: "من الناحية التجريبية، يصعب جدًّا التقاط التدفق القريب من السطح، خصوصًا عندما يكون السطح غير أملس أو متحركًا. إن حساب الاحتكاك السطحي من محاكاة عددية أمرٌ كاشف ومثير".

        وقد اقترح الفريق أن الاحتكاك السطحي قد يساعد في تفسير الآلية الفيزيائية الكامنة وراء أزمة مقاومة المائع. عمل الفريق على دراسة نموذج يتدفق فيه المائع على أسطوانة ذات جدران ملساء1 وأسطوانة أخرى ذات سطح متعرج2. وعن طريق إدخال طرق لحساب الاحتكاك السطحي بدقة في شفرتهم الحاسوبية، تكشف دراسة الفريق عن خلايا مسؤولة عن الانفصال وإعادة الاتصال بالسطح على النطاق الصغير، والتي تؤدي دورًا مهمًّا. في حالة الأسطوانة متعرجة السطح، وجد الفريق أن انتقال الاضطراب ليس هو السمة الرئيسية التي تتسبب في حدوث أزمة مقاومة المائع.

        ويقول سامتاني: "إن محاكاة الدوامات الكبيرة هى مستقبل ديناميكا الموائع الحسابية في التطبيقات الصناعية وتطبيقات الديناميكا الهوائية، ويمكن أن يكون الاحتكاك السطحي معيارًا مهمًّا في تحسين هذا التصميم". 

مراجع

1. Cheng, W., Pullin, D. I., Samtaney, R., Zhang, W., & Gao, W., R. Large-eddy simulation of flow over a cylinder with ReD from 3:9×103 to 8.5×105: a skin-friction perspective.  Journal of Fluid Mechanics 820, 121–158 (2017).

2. Cheng, W., Pullin, D. I., Samtaney, R., Large-eddy simulation of flow over a cylinder up to transcritical Reynolds numbers. Journal of Fluid Mechanics 835, 327-362 (2018)  |  article