Strømningsfysikk: Hva er det, og hvordan bruker vi det?

Fra Arkimedes til superdatamaskiner

– Den enkleste definisjonen er at det handler om samspillet mellom krefter og bevegelse i gass og væske, sier Åkervik.

Fagfeltet har røtter langt tilbake i vitenskapshistorien, blant annet til Arkimedes’ lov om oppdrift (Du vet, han som hoppet ut av badekaret og ropte Eureka). Men matematikken bak er langt fra ukomplisert.

– Ligningene for å regne ut strømninger er egentlig veldig enkle i formen, men i praksis nesten umulige å løse generelt, forklarer Åkervik.

Ligningene Åkervik her prater om er de såkalte Navier-Stokes ligningene, først formulert rundt 1850. Utfordringen med disse ligningene er særlig knyttet til turbulens – når strømningen blir kaotisk og full av virvler. For å håndtere dette har strømningsfysikk vært en av de sterkeste driverne for utvikling av stadig kraftigere datamaskiner.

– Fluidmekanikk har pushet grensene for regnekraft helt siden de første simuleringene på slutten av 1940‑tallet, sier Åkervik.

Når forskning redder tid – og liv

Ved FFI brukes strømningsfysikk blant annet til å simulere spredning av farlige stoffer i byer. Et konkret resultat er verktøyet brannvesenet i Oslo kan bruke ved ulykker.

– På sekunder kan de beregne hvordan et utslipp sprer seg i gater og mellom bygninger, sier Åkervik.

Den kunnskapen kan avgjøre om et område bør evakueres – eller om det faktisk er tryggest å la folk bli der de er.

– Evakuering i seg selv er ikke ufarlig. Hvis man kan være sikker på at en giftig sky går utenom et område, er det veldig verdifull informasjon.

Pandemi, forsvar og fremtiden

Under covid‑19‑pandemien bidro strømningsfysikk også til bedre forståelse av smittespredning.

I forsvarssammenheng brukes fagfeltet til alt fra vurdering av midlertidige broer i sterk strøm til analyser av vibrasjoner i militære fly – og nå også til å forstå hvordan strukturer tåler eksplosjoner.

Et helt konkret oppdrag var da Forsvarets gamle overvåkingsfly – P3 Orion – opplevde vibrasjoner etter at det hadde fått ett nytt kamera påmontert. Ved hjelp av målinger og strømningsfysiske simuleringer og beregninger, klarte forskerne å lage ett nytt deksel rundt kameraet som fjernet mye av vibrasjonene.

På samme måte kan man beregne hvordan ulike typer ubåtskrog vil gli gjennom vannet uten å bygge og teste mange ulike protyper.

– Målet er å kunne erstatte stadig flere fysiske tester med pålitelige simuleringer, sier Åkervik

I denne episoden av Ugradert får du høre hvordan abstrakt matematikk blir til helt avgjørende beslutningsstøtte – for både samfunnet og Forsvaret. 

Fire eksempler på strømningsfysiske beregninger:

Strømning rundt ubåt

Animasjonen viser en visualisering av strømningen rundt en ubåtmodell. Konturene viser områder med kraftig turbulens og illustrerer hvordan vannet akselererer langs skroget og brytes opp i turbulente virvler bak og langs ubåten.
 

Numeriske simuleringer gir innsikt i hvordan geometrien påvirker motstand, støydannelse og energieffektivitet, og brukes som et verktøy for å analysere og optimalisere ubåtens hydrodynamiske egenskaper.

Undervannseksplosjon

Animasjonen viser en numerisk simulering av en undervannseksplosjon og de komplekse fysiske prosessene som utløses av et slikt hendelsesforløp. Når eksplosjonen inntreffer, dannes en gassboble som raskt utvider seg og deretter trekker seg sammen i en serie pulseringer. Denne pulserende bobledynamikken gir opphav til kraftige trykkbølger som forplanter seg gjennom vannet, samtidig som raske trykkfall fører til dannelse av kavitasjon.

Bildet til venstre viser gassboblen samt områder med kavitasjon (i blått) og vann i rødt. Dette illustrerer hvordan ekstreme trykkendringer skaper og kollapser dampbobler i væsken. Bildet i midten viser hastighetsfeltet i vannet, med tydelige strukturer som illustrerer lokale strømninger og virveldannelser drevet av eksplosjonen og samspillet med gassboblen. Bildet til høyre viser trykkfordelingen i vannet, inkludert de intense trykkbølgene som kan påføre store og raske belastninger på omkringliggende strukturer.

Animasjonen synliggjør samspillet mellom trykkbølger, bobledynamikk, kavitasjon og væskebevegelse, og gir innsikt i hvorfor undervannseksplosjoner regnes som blant de mest komplekse og energirike fenomenene innen væskedynamikk. Numeriske simuleringer av undervannssjokk er avgjørende for å beregne belastninger på skrog og andre konstruksjoner under vann, og brukes som grunnlag for å dimensjonere og forbedre beskyttelse innen skipsdesign, offshorekonstruksjoner og maritim sikkerhet.

Urban vind i bymiljø

Animasjonen viser simulert urban vind i bygatene rundt Kværnerbyen i Oslo. Vindfeltet er beregnet ved hjelp av en numerisk simulering og illustrerer hvor kompleks vindstrømningen kan være i et bymiljø. Her styres vinden i stor grad av bygninger, gatenes utforming og lokal topografi, og ikke bare av den overordnede meteorologiske vinden. I dette tilfellet blåser den globale vinden fra sør mot nord i bildet, mens den lokale, simulerte vinden avviker betydelig både i retning og styrke.

Vindstyrken er visualisert ved hjelp av farger, hvor mørk blå indikerer svært svak vind (≈ 0 m/s), mens mørk rød viser områder med høyere vindhastigheter (> 1,5 m/s). Animasjonen fremhever hvordan bygninger kan styre, akselerere eller skjerme vinden, noe som har stor betydning for blant annet komfort, sikkerhet og lokal spredning av gasser og aerosoler i bymiljøet.

Lokal spredning av luftforurensning

Animasjonen viser simulert lokal spredning av luftforurensning fra en tunnelåpning i området rundt Kværnerbyen i Oslo. Den illustrerer hvordan både lokal topografi, som Ekebergåsen, og byens bygningsstruktur kan påvirke hvordan forurensning transporteres og akkumuleres. 

Selv om den globale meteorologiske vinden i dette tilfellet blåser på tvers av dalen, viser animasjonen at lokal luftforurensning kan bevege seg i andre retninger. Gasser og partikler kan bli fanget i leområder bak større bygninger, sirkulere lokalt og tidvis transporteres på tvers av hovedvindretningen. Fargeskalaen angir konsentrasjonen av forurensning, der lyse farger (hvit/gul) indikerer høyere konsentrasjoner og mørkere farger (rød/svart) lavere konsentrasjoner.