Turbulens kan nu simuleras
Johan Hoffman konstruerar datorprogram som simulerar turbulent strömning. Målet är att skapa realistiska modeller av situationer där turbulent strömning har stor betydelse. Exempel på sådana är formgivning av nya bilmodeller och utveckling av syntetiska hjärtklaffar.
Strömning, eller strömningsmekanik, beskriver hur vätskor och gaser rör sig i omgivningen. Den kan vara laminär eller turbulent och skillnaden är tydlig i röken från en lägereld under en vindstilla kväll. Just ovanför eldflammorna stiger röken i en rak pelare som är ordnad och strukturerad – strömningen är laminär. Men det dröjer inte länge förrän rökpelaren kollapsar och röken sprider sig i ett oordnat och kaotiskt moln ovanför lägerelden. Röken strömmar turbulent. Den matematiska ekvation som beskriver turbulent strömning är mer än 200 år gammal, och den kan beskriva hur rökpelaren kollapsar. Men att förutsäga hur röken sprider sig innan elden tänds, och på så sätt välja en rökfri plats runt lägerelden, är nästan omöjligt.
Johan Hoffman arbetar tillsammans med tre doktorander och en postdoktor för att utveckla datorprogram som kan simulera turbulent strömning.
– Att kunna förutsäga och simulera turbulent strömning är viktigt inom många områden – exempelvis inom bilindustrin, säger Johan.
En bils bränsleförbrukning beror till stor del på hur luften strömmar kring bilen. Idag byggs modeller av nya bilar och deras luftmotstånd och bränsleförbrukning testas i vindtunnlar. Det är en tidskrävande process, eftersom modellen måste tillverkas, och om ändringar krävs för att exempelvis minimera förbrukningen av bränsle, måste modellen förändras och återigen testas i vindtunneln.
Strömlinjer kring en bil i hög hastighet med beräkningsnät – Den geometriska modellen är från ett samarbete med Volvo Cars.
– Vi utvecklar ett datorprogram som simulerar luftens strömning kring bilen när den rör sig. Ändringar av bilens design kan göras i datorprogrammet, som därefter visar hur dessa påverkar den turbulenta strömningen kring bilen.
I datorprogrammet delas bilens yta in i ett rutnät med punkter. Den turbulenta strömningen i punkterna kan beräknas i form av luftens hastighet och tryck. Det optimala är att välja ett tillräckligt fint rutnät för att lösa upp alla skalor i strömningen, men det är mycket resurs- och tidskrävande och därför förenklas ofta beräkningarna på grövre nät med dålig noggrannhet. Johan har dock utvecklat en annan strategi för att angripa problemet.
– Vi beräknar strömningen på ett nät som endast är fint i de områden som är viktiga, exempelvis för bensinförbrukningen. Detta kallas för adaptiva beräkningsmetoder. Om rätt nät väljs, ger det här angreppssättet pålitliga prediktioner av turbulent strömning för problem som annars vore omöjliga att studera.
Den nya beräkningstekniken har Johan tillsammans med sin forskargrupp implementerat i en open source (öppen källkod) mjukvara, Unicorn (www.fenics.org/wiki/Unicorn). Ett datorprogram med öppen källkod kan modifieras och anpassas utifrån användarens behov.
En bil är ett fast föremål vars form inte nämnvärt påverkas av hur luften strömmar i omgivningen. Det finns dock komplicerade situationer där strömningen i en vätska eller gas påverkar formen hos det objekt kring vilket den strömmar.
– Vi utvecklar också datorprogram, som kan kombinera den ekvation som beskriver strömningen med den som beskriver hur objektet deformeras. Tidigare har dessa ekvationer lösts separat.
Ett sådant datorprogram kan användas för att simulera blodströmning i hjärtat och utveckla konstgjorda hjärtklaffar. Hjärtklaffar förhindrar att blod som pumpats från förmak till kammare eller ut ur hjärtat sugs tillbaka. Blodet som strömmar inuti och utanför hjärtat påverkas av klaffarna som i sin tur deformeras, när blodet strömmar kring dem. Hjärtklaffarna kan förändras eller skadas och på så sätt försämra blodgenomströmningen i hjärtat. Då kan det vara aktuellt att ersätta hjärtklaffarna med konstgjorda klaffar.
Strömningshastighet i vänstra kammaren av ett mänskligt hjärta – Den geometriska modellen är skapad i samarbete med Umeå universitet.
– De konstgjorda klaffarna finns i olika former och hur dessa påverkar och påverkas av blodets strömning kan beskrivas i de datorprogram som vi utvecklar.
Även i denna tillämpning används adaptiva beräkningsmetoder. Det vill säga, strömningen beräknas noggrant i de delar av hjärtat som har betydelse för strömningen kring hjärtklaffarna.
Började med väg och vatten – fortsatte med strömning
Johan har en civilingenjörsexamen inom väg och vatten med matematisk inriktning. Han doktorerade på Chalmers tekniska högskola och det var under doktorandtiden som Johan lade grunden till den forskning han bedriver idag.
– Min avhandling visade att adaptiva beräkningsmetoder för turbulent strömning var genomförbara och kan ge tillförlitliga resultat.
När Johan disputerat åkte han som postdoktor till New York och där utvecklade han det arbete som han påbörjat som doktorand. Efter två år i USA återvände han till Sverige och idag bor Johan i Stockholm tillsammans med sin fru Jeanette och deras 3-åriga dotter Melina.
Som småbarnsförälder har Johan inte så mycket tid över till egna fritidsintressen. Han har spelat fotboll och i New York tränade han kampsporten kempo, som är en kombination av karate och jujutsu.
– Idag blir det blir lite si och så med tränandet. Jag har varit medlem i en kempoklubb i Stockholm, men man kan säga att medlemskapet nu är vilande.
Musik och film är dock intressen som Johan fortfarande hinner med. Han har en bred musiksmak – jazz, hiphop, rock och pop är några av Johans favoritgenrer.
Text: Elisabet Vikeved