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.
Słowa kluczowe
MULTISOLVE, turbulentny przepływ, nanotechnologia, turbiny wiatrowe, produkowane łopatki mieszadła, skrzydła samolotu, skrzydełka, projektowanie fraktali, wytwarzanie energii, przenoszenie ciepła, płyny lepko-elastyczne
