Wyślij złodzieja, żeby złapać złodzieja: uczenie się od natury w przypadku burzliwych przepływów wielowymiarowych
Osiągnięcie zrównoważonego rozwoju pilnie wymaga nowych technik, aby utrzymać nasze produkty i procesy produkcyjne w sposób efektywny i przyjazny dla środowiska. Projekt odgrywa istotną rolę w dostarczaniu niezbędnych innowacji, maksymalizując nakłady energii, a także redukując emisję zanieczyszczeń. Na szczęście natura kształtowana przez siły ewolucyjne zapewnia projektantom szablony, na których można pracować. Projekt finansowany przez Unię Europejską MULTISOLVE dokładnie przypatrywał się działaniom natury - w szczególności geometrii fraktali - w celu inspirowania się dążeniem do stworzenia nowej klasy wielokrotnych turbulentnych przepływów. To, co sprawia, że wyniki są szczególnie istotne, to ich szerokie zastosowanie w wielu sektorach przemysłu, takich jak mieszanie, aeronautyka, motoryzacja, wytwarzanie energii i technika wiatrowa. Moc fraktali Zakres wykorzystania kształtów fraktali do kontrolowania turbulencji i przepływu został wykazany przez badania w ciągu ostatniej dekady. Jak wyjaśnia jeden z członków zespołu projektowego MULTISOLVE i zarazem kluczowy rzecznik tego podejścia, profesor Christos Vassilicos: „Po prostu, wraz z przepływami burzliwymi, które same są fraktalami, podstawową zasadą jest wysyłanie złodzieja, by złapać złodzieja. Zwiększone zrozumienie tego, w jaki sposób projektowanie fraktali wpływa na przepływ, który możemy obserwować wokół nas w naturze, pozwala nam odpowiednio projektować, wraz z dobrze znanymi korzyściami”. Dzięki tej metodologii, zespół potrafił wykazać zarówno eksperymentalnie, jak i obliczeniowo (poprzez modelowanie), że możliwe jest wygenerowanie turbulencji na zamówienie w celu zwiększenia wydajności i skuteczności szerokiego zakresu procesów. Jednym z najbardziej obiecujących obszarów zastosowania jest zwiększenie mieszania. Jest to istotne, jak podkreśla profesor Vassilicos, ponieważ „ludzie nie zdają sobie sprawy, jak powszechne jest mieszanie w naszych gałęziach przemysłu, czy to w reaktorach chemicznych, reaktorach biologicznych, czy spalaniu. Jego zakres zastosowań, a więc stopień w jakim zależy nam na tym, aby odbywał się skutecznie - pod względem nakładów mocy, jakości mieszania, szybkości i kosztu - jest olbrzymi". Podczas gdy MULTISOLVE koncentrował się głównie na turbulentnych przepływach w powietrzu i wodzie, prace doprowadziły do dalszego rozwoju (w innym projekcie) dotyczącego płynów lepkosprężystych (np. czekolady), wykazujących, że łopatki mieszające, zaprojektowane zgodnie z zasadami fraktali, zmniejszają czas mieszania o połowę. Odpowiednio do czasu produkcji i wydanych pieniędzy, ten przełom technologiczny przyniósł znaczne zainteresowanie przemysłu. Kolejnym ciekawym zastosowaniem jest projektowanie łopatek działających w prądzie powietrznym, takich jak turbiny wiatrowe, które coraz częściej dostarczają energię elektryczną w całej Europie. W celu utrzymania solidności, łopatki nie mogą mieć krawędzi końcowych o zerowej grubości, ponieważ osłabia to ostrze w punkcie, w którym oddziałuje z osią, zginając je, a tym samym tworząc większy opór. Przemysł często reaguje poprzez skrócenie ostrza, co z kolei zwiększa opór wiatru, zmniejszając wydajność. Rozwiązaniem oferowanym przez MULTISOLVE było, jak wyjaśnia koordynator projektu, prof. George Papadakis, „wykorzystanie wzoru fali w celu wygięcia krawędzi spływu. Zmniejsza to opór wiatru, zwiększając wydajność przy zachowaniu trwałości ostrza”. Wykazano również, że projekt fraktali zmniejsza źródła hałasu, co jest szczególnie obiecujące w przypadku skrzydeł samolotów. Istotne jest, że podejście MULTISOLVE wymaga tylko dopasowania poszczególnych części. Aby wprowadzić tę technikę na rynek, zespół MULTISOLVE obecnie koncentruje się na ograniczonej liczbie zastosowań w celu skalowania testów, w sposób istotny dla przemysłu. Jednak tworzenie pomostu między laboratoriami a rynkiem przynosi własne wyzwania, jak wyjaśnia profesor Vassilicos: „Odstęp czasowy między badaniami akademickimi, który jest typowo bardziej ogólny, a konkretnymi zastosowaniami przemysłowymi może trwać latami, ponieważ przemysł działa przy wielu ograniczeniach społeczno-ekonomicznych”. Jeśli jednak szanujemy różnice między nami, możemy wspólnie pracować nad prawdziwymi innowacjami.
