Forskere ved det amerikanske Massachussetts Institute of Technology har fundet en matematisk beskrivelse af væske- og gasflow omkring 3D-genstande i bevægelse - som eksempelvis biler.

Forskningsresultatet løser et vigtigt og 104 år gammelt problem om aerodynamisk adskillelse, og løsningen forventes at gøre biler og andre transportmidler mere brændstofeffektive.

Problemet blev - delvist - løst af den tyske fysiker Ludwig Prandtl i 1904 og kan illustreres på følgende måde:

Når en bil accelererer op og ned af en bakke og derefter går ned i hastighed for at overvinde et hårnålesving, kan luftflow’et omkring bilen ikke følge med bilens bevægelse, og bliver derfor adskilt fra bilens overflade.

Denne aerodynamiske adskillelse mellem bilen og luftflowet skaber et horisontalt træk i bilen, der sænker dens fart, og dermed tvinger motoren til at arbejde hårdere for at holde tempoet oppe. Samme fænomen gør sig gældende for fly og både, og fælles for dem alle er et øget brændstofforbrug.

Løsning anno 1904 var begrænset til 2D
MIT-forskerne har nu både i teori og praksis udført forsøg, der gør dem i stand til at forudsige, hvor den aerodynamiske adskillelse vil forekomme for ustabile, tredimensionelle flows. Dermed bliver det meget nemmere at kontrollere flowet.

Det er en løsning, der elegant kommer uden om de begrænsninger, der har ligget som en tung dyne over forskningen de sidste 104 år.

Ludwig Prandtls 1904-løsning var nemlig begrænset af to bånd: Den kunne kun anvendes på stabile flows; for eksempel omkring en bil i bevægelse ved konstant lav hastighed, og kun sammen med idealiserede, todimensionelle flows.

Det skønmaleri holder ikke vand i virkeligheden.

»Det fleste ingeniørsystemer er ustabile. Betingelserne ændrer sig konstant. For eksempel accelererer og decelererer biler, ligesom fly gør under manøvrer, take-off og landing,« forklarer gæsteprofessor George Haller fra MITs Department of Mechanical Engineering.

Kontrollen af gas- og væskeflow er kernen i en lang række videnskabelige problemer - blandt andet omkring blodgennemstrømning. Derfor søger ingeniører hele tiden at kontrollere adskillelsen i de forskellige typer flows for at mindske tab og øge effektiviteten.

Endnu et stykke vej
MIT-forskerne kan endnu ikke sætte tal på, hvor meget der kan skæres i brændstofforbruget i biler og fly ved omsætning af forskningsresultaterne til konkrete teknologiske løsninger. Der er stadig et stykke vej endnu til kommerciel anvendelse, men forskerne understreger, at teorien virker.

Forskningsresultatet er offentliggjort 25. september i tidsskriftet Journal of Fluid Mechanics.