Near-wall mixing by free-stream turbulence

Når du bruker en skje til å blande melk eller sukker i kaffen, dannes en rekke virvelbevegelser i koppen. Dette er et enkelt eksempel på turbulens. Turbulens er en sammensetning av en rekke slike virvelbevegelser med forskjellig størrelse og styrke, som alle foregår samtidig. Selv om de fleste forstår hvordan man skal blande sukker inn i kaffen, vet vi enda ikke hvilke egenskaper i turbulens som fører til den beste blandeprosessen. Gjennom bedre forståelse av blandeprosessen, kan vi nærme oss en løsning på flere problemstillinger. Blant annet vil vi kunne forbedre effektiviteten til kjølesystemer i kraftproduksjon, og kunnskapen kan også brukes til å skille CO2 fra atmosfæren. Disse anvendelsene vil både redusere belastningen på miljøet rundt oss, samtidig som det kan redusere kostnader for bedrifter og enkeltpersoner. Så hva kjennetegner gunstig turbulens for blanding? Vil vi ha store, små, eller kanskje periodiske virvler? Er det et punkt hvor det ikke vil hjelpe å tilføre mer energi? Til syvende og sist ønsker vi å bruke så lite energi som mulig, slik at prosessen blir effektiv og utslippsbesparende. For å forstå de grunnleggende fysiske faktorene må vi forenkle problemet. På NTNU har vi en toppmoderne vannkanal, med en spesialisert turbulensgenerator. Det finnes bare en håndfull slike innretninger i verden. De brukes til å justere egenskapene til turbulensen, for eksempel styrken og størrelsen til virvlene. Vår hensikt er å måle hvilke egenskaper ved turbulensen som sørger for hurtigst miksing. Foreløpig viser våre funn at turbulens ved kanalens innløp har signifikant innvirkning langt nedstrøms, både langs veggene og midt i kanalen. Dette vil sannsynligvis påvirke miksingen, noe vi skal ved å tilføre et fargestoff i midten av kanalen, for så å måle avstanden til punktet hvor fargestoffet når kanalveggen. Ved hjelp av laserdiagnostikk vil vi kunne måle fargekonsentrasjon og væskehastighet svært nøyaktig, som vil gi en enestående innsikt i de fysiske mekanismene som sørger for turbulent blanding. Ved å forstå den underliggende fysikken og å bruke den til å skape grønnere teknologi, beveger vi oss mot en bærekraftig framtid.

Turbulence is omnipresent in engineering flows of practical interest, yet it remains one of the last unsolved problems in classical mechanics. This project seeks to illuminate how turbulence facilitates mixing in a channel. The fundamental research question is straightforward, the possible applications are extensive, and the answer lies in a thorough understanding of the underlying fluid mechanics, making this an ideal basic research project. The research question is: if flow is moving through a channel, how does one mix a substance released in the centre of that channel to the walls in the shortest distance from the release point. The solution lies in a synergy of three areas of contemporary research in fluid mechanics: (i) the generation of bespoke turbulent flows, (ii) instantaneous turbulent structures, and (iii) scalar transport in turbulent flows. Understanding this basic phenomenon has far-reaching repercussions for all in-line mixers. For instance, fluid cooling systems rely on cold fluid being transported toward a surface and warm fluid being transported away. Optimising this process will result in smaller reactors and less energy consumed in the cooling process. Measurements will be conducted in the new water channel at NTNU using simultaneous particle image velocimetry and laser-induced fluorescence. A range of turbulent flows will be generated with an active grid and by the end of the project a conceptual model will be produced that describes the optimal parameters to transport a scalar to the walls of the channel in the shortest distance. In addition to the PI, the project will employ a PhD student and a post-doctoral fellow. It will also involve international collaboration with partners in the UK.