Livellare le correnti ascensionali: una ricerca getta nuova luce sulla dinamica della turbolenza
Comunemente la turbolenza si osserva in fenomeni quotidiani quali fiumi a scorrimento rapido, fumo proveniente da un camino o l’aria attorno alle ali degli aerei. È anche presente nelle intense correnti oceaniche, nella lava prodotta da un vulcano o nello spazio intergalattico. In effetti, il moto della maggior parte dei fluidi è vorticoso, compreso il movimento del sangue nelle nostre arterie. Sebbene l’esperienza della turbolenza ci circondi, i meccanismi alla base di questo fenomeno accidentato sono difficili da controllare e comprendere. Causato da un’eccessiva energia cinetica che supera gli effetti della viscosità del fluido, il moto vorticoso è per natura irregolare e quindi difficile da prevedere. «Le interazioni all’interno della turbolenza creano un fenomeno molto complesso che nessun algoritmo esistente può descrivere accuratamente. I progressi nel campo sono stati così lenti che al momento non ci sono risorse computazionali in grado di eseguire una simulazione della forza bruta dell’aria attorno all’ala di un aereo! Di conseguenza, ingegneri e matematici applicati ricorrono alla costruzione e all’uso di modelli matematici per prevedere gli effetti della turbolenza», spiega Luca Biferale, coordinatore del progetto NewTURB (New eddy-simulation concepts and methodologies for frontier problems in Turbulence), finanziato dall’UE.
Mappatura della turbolenza su più scale
Il moto vorticoso abbraccia un’ampia gamma di scale di lunghezza che notoriamente è difficile collegare in una simulazione numerica poiché i sistemi computazionali all’avanguardia richiedono una grande quantità di tempo di elaborazione. Questo è ciò che il team di NewTURB ha deciso di fare: sviluppare una serie di modelli multi-scala per calcoli ad alte prestazioni che superino queste sfide. L’idea principale era quella di eseguire una rimozione «chirurgica» del numero di parametri (gradi di libertà) che definiscono la configurazione turbolenta modificando le equazioni di Navier-Stokes in modo controllabile. «Il nostro obiettivo principale era predire in quali condizioni il moto vorticoso tenda ad accumulare l’energia delle forze di agitazione su larga scala o a dissiparla su scale molto piccole. Il primo caso sembrerebbe un grande tornado (si veda figura) nell’atmosfera, mentre il secondo un vortice millimetrico ma intenso come quelli creati all’interno dei motori a combustione interna», afferma Biferale. Utilizzando modelli matematici e calcoli ad alte prestazioni, il team del progetto ha dimostrato che un insieme di interazioni chirali che cambiano la simmetria speculare e l’elicità del flusso possono alterare il comportamento del moto vorticoso. Sconosciuto precedentemente, ora dovrebbe essere considerato come una proprietà di base per tutte le correnti incompressibili.
Individuare leggi universali all’interno della turbolenza
Svelare le proprietà statistiche universali che condividono tutti i moti vorticosi nonostante i loro diversi meccanismi di trascinamento o le loro particolari geometrie di flusso è una sfida di lunga data. «Dimostrare l’ipotesi di universalità nella turbolenza è stato un “santo graal” per i fisici sul campo», osserva Biferale. «Sebbene non possiamo dimostrare l’universalità dalle equazioni che governano il sistema, siamo a conoscenza - grazie a esperimenti di laboratorio e numerici - del fatto che ciò vale per fluttuazioni turbolente su piccola scala, riprendendo un comportamento statistico perfettamente simmetrico-rotazionale». Liberare proprietà universali da proprietà non universali nello scorrimento o nella rotazione della turbolenza su tutte le scale è stato quindi l’obiettivo principale del lavoro del progetto riguardante sia il campo di moto che l’avvezione delle particelle da esso.
Problema irrisolto
NewTURB ha chiarito importanti aspetti riguardanti la dinamica del moto vorticoso usando prove chiare da simulazioni numeriche. «Tuttavia, siamo ancora lontani dall’offrire una descrizione completa della turbolenza. Abbiamo pochissime prove basate sulle equazioni del movimento. La turbolenza è uno dei più antichi problemi irrisolti in fisica», conclude Biferale.
Parole chiave
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