Mot framtidens ytor för manipulering av strömning

Diarienummer: FFL15-0001
Start- och slutdatum: 170101-230630
Beviljat belopp: 11 733 750 kr
Förvaltande organisation: KTH - Royal Institute of Technology
Forskningsområde: Beräkningvetenskap och tillämpad matematik

Summary

Nästan 10% av världens energiförbrukning går åt att övervinna det motstånd som uppstår på grund av strömmande fluider. Trots att energikostnaderna ökar för varje dag, bygger dagens teknik för minskning av luft/vattenmostånd på intuitionsbaserade metoder. Naturen däremot använder sig av sofistikerade metoder som skapar en positiv samverkan mellan elastiska, porösa och hala ytor och den ovanliggande strömningen. I detta projekt kommer vi tillämpa nya metoder för att karaktärisera turbulenta strömningar över komplexa ytor genom att kombinera upskalningsmetoder (homogenisering) och optimering av heterogena material (topologioptimering) med både numeriska och laboratoriska experiment av turbulens. Vårt mål är att skapa en grundläggande förståelse för hur mycket småskaliga strukturer kan påverka storskaliga turbulenta fenomen. Vi kommer att modellera och tillverka biologiskt inspirerade ytor (stubbiga eller snåriga fiberstrukturer) och optimala ytor så att de kan både påverka och känna av den ovanliggande strömningen. På så sätt kan vi för första gången på ett systematisk sätt kategorisera flöden över komplexa ytor med avseende på deras förmåga att minska friktion. Dessa nya metoder kommer att förnya dagens metoder för flödesmanipulering, genom att skapa möjligheten att skräddarsy ytor för nya fluidbaserade ändamål (ökad omröring/transport, minskning av brus). Dessa metoder är också ett första steg mot att införa aspekter av turbulens i framtidens multifunktionella material.

Populärvetenskaplig beskrivning

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.