Onderzoekers van Rice University en Waseda University hebben nieuwe methoden voor computationele hydrodynamica geïntroduceerd die de nauwkeurigheid van het modelleren van complexe reële processen aanzienlijk verbeteren. Het werk onder leiding van Tayfun Tezduyar, James F. Barbour en Kenji Takizawa wordt beschreven in hun nieuwe boek Space-Time Computational Flow Analysis.
Tezduyar stelde de benadering van ruimtelijk-temporele stromingsanalyse al in 1990 voor als een manier om het gedrag van vloeistoffen nauwkeuriger te beschrijven. Sinds 1998 vindt het grootste deel van de ontwikkeling plaats aan de Rice University, en in 2007 sloot Takizawa zich aan bij het project, waardoor de internationale samenwerking werd uitgebreid. In dit concept worden ruimte en tijd samen bekeken, en niet afzonderlijk, zoals vaak het geval is in klassieke schema’s.
Volgens Tezduyar zijn er maar weinig groepen in de wereld die zo’n breed scala aan taken met zo’n nauwkeurigheid kunnen oplossen. Hij benadrukt dat het team gevallen aanpakt die voorheen als vrijwel onoplosbaar werden beschouwd, en een hoge mate van overeenstemming tussen het model en het werkelijke proces bereikt: “In het echte leven hangt het beeld van de stroming niet alleen af van de plaats, maar ook van het specifieke tijdstip. Je kunt niet één van deze componenten negeren en toch een beter resultaat verwachten.”
De ontwikkelde methode is al toegepast in verschillende sectoren, van de geneeskunde tot de lucht- en ruimtevaarttechniek en de energiesector. NASA heeft deze aanpak gebruikt bij het ontwerpen van landingsparachutes voor het Orion-ruimtevaartuig om een betrouwbare opening bij het binnenkomen van de atmosfeer te garanderen. In de geneeskunde helpt het modelleren van de bloedstroom door de hartkleppen chirurgen om de behandeling nauwkeuriger te plannen. Autofabrikanten gebruiken modellen om de aerodynamica en koeling van banden te analyseren, waardoor de veiligheid en levensduur van het product worden verbeterd. In de hernieuwbare energiesector wordt de methode gebruikt om turbulente sporen van windturbines te beoordelen en windparken optimaal te plaatsen, rekening houdend met de risico’s voor de luchtvaart, drones en de natuur.
Een van de belangrijkste voordelen van deze aanpak is de mogelijkheid om het rekenrooster te ‘verdichten’ op de plaatsen waar dat cruciaal is: in het contactgebied tussen de band en de weg of op het moment dat de klepbladen sluiten. In tegenstelling tot traditionele schema’s, waar de nauwkeurigheid verloren gaat door de verdunning van de punten, behouden de ruimtelijk-temporele modellen van Tezduyar en Takizawa een hoge mate van detail over het hele stromingsveld en gedurende het hele proces.
De auteurs benadrukken dat de complexe geometrie van echte objecten bijna onvermijdelijk even complexe, in tijd en ruimte veranderende stromingspatronen oplevert. Om het beste resultaat te verkrijgen, moeten numerieke methoden zowel de structuur van de stroming in de ruimte als de evolutie ervan in de tijd even nauwkeurig beschrijven. Dit is precies wat hun ruimtelijk-temporele analyse biedt: een instrument dat is voortgekomen uit wiskundige vergelijkingen, maar dat volledig toegepaste problemen oplost, van de industrie tot de gezondheidszorg.
