Towards advanced surfaces of the future for flow control
- Reference number
- FFL15-0001
- Start and end dates
- 170101-230630
- Amount granted
- 12 000 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Computational Sciences and Applied Mathematics
Summary
The energy used to transport fluids through pipes or vehicles through fluids is reaching 10% of the total energy consumption worldwide. Despite the economic importance of reducing turbulent drag, industrial approaches are inefficient in operating conditions. Modifications of smooth surfaces hold great promise as breakthrough technology for drag reduction, but recent methods for designing heterogeneous materials have not been explored to control turbulence. Therefore, my proposal aims to tailor and fabricate new coating materials to manipulate the nearby turbulent flow in order to reduce drag. The new complex surfaces are biologically inspired coatings such as bristles, brushes and grooves and coatings with microstructures specifically designed to minimize the skin-friction drag. I propose to construct and test these coatings by combining upscaling techniques (homogenization) and optimal design of heterogeneous materials (inverse homogenization) with computational and laboratory experiments of turbulence. The methods take into account the microscale physics inside the coating such that the macroscale properties (elasticity, porosity and slipperiness) become coupled, inducing surfaces that can both act and sense the overlying flow. This proposal takes the first step to include aspects of turbulence in multi-functional materials. It has the potential to revolutionize flow control by providing a framework to tailor a surface to interact with overlying flows in a desired manner.
Popular science description
I framtiden kommer ytor på fordon, rotorblad, turbinblad och andra kroppar som befinner sig i en ström av luft eller vatten att anpassas för att manipulera strömningen. Beroende på tillämpning, kan man genom manipulering av strömning minska eller öka luftmotståndet, lyftkraften, bullernivån, eller omröringen. Ett tekniskt exempel är vägbeläggningar, där man gått från sten till gummi och på så sätt minskat bullernivån. Gummi är både flexibelt (elastiskt) och innehåller luftfickor (poröst) och kallas därför för poroelastiskt. Man kan också se att evolutionen har främjat en liknande teknik. Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Evolutionen har främjat ojämna, sträva eller gropiga ytor, vilka har en tendens att minska det totala motståndet som uppstår när en kropp rör sig i vatten eller luft, jämfört med en helt slät och jämn yta. Ett exempel är hajens tjocka hud som är täckt med fjäll som gör den sträv. Fjällen, som är jämnt fördelade över huden med bakåtriktade taggar, har inspirerat utformningen av skeppsskrov, simdräkter och "riblets" för flygplansvingar. Idag har vi däremot ingen fysikalisk förståelse av varför och hur ett poroelastiskt och halt material kan minska friktionen mellan en fast kropp och ett strömmande medium. Innan vi kan utveckla framtidens beläggningsytor för styrning av strömning, måste vi förstå vilka egenskaper det poroelastiska materialet bör ha och vilka förutsättningar strömningen får ske under, för att en uppnå en positiv samverkan mellan materialet och strömningen. I det här projektet kommer fiberliknande och polymerliknande material att modelleras med en kontinuummekanisk teori. Vi kommer också att använda topologioptimering för att ta fram mikrostrukturer på beläggningar som minskar turbulent friktion maximalt. Vi kommer tillverka dessa ytbeläggningar med både 3D skrivare och gjutningsteknik för att sedan testa de i turbulent kanalströmning. En eventuell minskning av friktion med 10-20 % kan få stora konsekvenser för bland annat transportindustrin, men också inom energisektorn. Förhoppningen är att upptäcka nya grundläggande mekanismer som kan möjliggöra revolutionerande teknologi för manipulering av strömmande medier.