Near-wall mixing by free-stream turbulence

Når du bruker en skje til å blande melk eller sukker i kaffen, dannes en rekke virvelbevegelser. 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 ved turbulens som fører til den beste blandeprosessen. Ved å forstå slike blandeprosesser bedre, 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. Å forstå blandeprosesser er også viktig for det globale klimasystemet vårt, da havene er det største lagret av CO2 på jorda, samtidig som de krever O2 fra atmosfæren for å opprettholde liv. WallMix fokuserte på den grunnleggende strømningsmekanikken som driver blandeprosessene. Vi gjennomførte eksperimenter i de nye fasilitetene ved NTNU, en åpen vannkanal og en lukket luftkanal. Begge disse fasilitetene hadde aktive gitter ved innløpene som lot oss styre turbulensintensiteten i eksperimentet. Det aktive gitteret besto av stenger med diamantformede vinger festet til dem. Motorer spinner disse stengene med vinger i forhåndsbestemte sekvenser som skaper turbulens når vannet eller lufta passerer gjennom dem. Intensiteten av turbulensen kan justeres ved å justere sekvensen vingene beveger seg i. Laserdiagnostikk ble deretter brukt til å måle hastighetsfeltet i kanalene for å kunne si noe om både miksingen og turbulensen. Vi så at mer intens turbulens, sørger for hurtigere miksing. Mekanismen bak hvorfor det er slik var ikke det vi først forventet. Vår hypotese var at turbulensen ville bryte opp lagene som naturlig dannes i fluidet og dermed bidra til en hurtigere miksing. Selv om dette stemte, så vi at miksing økte fordi turbulens økte den naturlige diffusjonen av passive elementer som føres med fluidet, for eksempel fargestoffer. Etter å ha observert dette, gjennomførte vi eksperimenter i vannkanalen der vannoverflaten er i kontakt med lufts og kan dermed absorbere luftmolekylene, for eksempel O2 og CO2. Ved å endre turbulensintensiteten i vannet, mens overflaten var relativt uforstyrret, så vi at det var mulig å endre absorbsjonsraten O2 ble tatt opp i vannet med 30%. Dette greide vi å oppnå kun ved å endre turbulensintensitet. Denne oppdagelsen er viktig fordi globale klimamodeller vanligvis behandler absorbsjonsraten gasser løser seg opp i havet med som en konstant. En endring på 30 % kunne ha drastiske konsekvenser for modeller og prognoser. I tillegg, for karbonfangstsystemer der en ønsker at så mye CO2-holdig luft som mulig skal interagere med overflaten hvor CO2 blir absorbert, har vi vist at turbulensintensiteten har betydelig innvirkning.

OUTCOMES: The direct outcomes of the project include the publication of 7 open-access journals articles, 1 masters thesis, 1 PhD thesis, significant gains in our understanding of the co-evolution of wall-bounded turbulence and external turbulence, knowledge that should shift the paradigm with respect to interfaces and mixing, and the training and development of three highly-skilled research staff. The published work is all open-access so that it is shared with the community. The major breakthroughs are described in greater detail under “Impacts” below. The project also directly trained a successful PhD graduate, a post-doc who moved on to one of the top engineering universities in the world, and an early career academic who has now been promoted. IMPACTS: The long-term changes that will be brought about by this work are centred around two main topics: (i) identification of interfaces within turbulent flows; and (ii) a broader acceptance of the significant influence turbulence can have on mixing and transport processes. It is common today to equate the a turbulent-turbulent interface (TTI) with the turbulent-non-turbulent interface (TNTI) in how it is detected. Our results clearly demonstrate this is not the case, and this project should be the basis for systemic change in considering what “important” interfaces exist in a turbulent flow. On the role turbulence plays in mixing processes, this is often considered secondary today. It is known that turbulence helps, but compared to other characteristics, e.g., solubility or interface characteristics, turbulence’s role is believed to be second-order. However, we have demonstrated that turbulence can change the gas transfer rate between water and air by 30% by changing nothing other than the turbulence in the water, i.e., no effects on the chemistry. Gains of 30% can be substantial in chemical and thermal processes, and in our climate systems misrepresenting the rate at which gaseous species transfer between the oceans and the atmosphere by 30% can be catastrophic.

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.