VISION-hanke keskittyy eräiden haastavien virtausilmiöiden simulointiin ja siinä tarvittavan teknologian kehitystyöhön. Hankkeen tarkoituksena on toimia siltana Teknillisen korkeakoulun Aerodynamiikan ja Sovelletun termodynamiikan laboratorioiden pitkään jatkuneen turbulenssitutkimuksen ja tulevaisuuden uusien hankkeiden välillä. VISION-hankkeeseen sisältyy olennaisena osana Suomen teollisuuden tarpeiden selvittäminen virtausmallinnuksen alalla. Selvitystä varten tehdään mahdollisimman kattava maan CFD-asiantuntijoille suunnattu kysely.
Hankkeen päärahoittajana on Tekes; lisäksi eräät teollisuus yritykset ja virtauslaskentapalveluita tarjoavat yritykset osallistuvat rahoitukseen.
Hanke keskittyy eräiden haastavien virtausilmiöiden simulointiin ja siinä tarvittavan teknologian kehitystyöhön. Hankkeessa ovat mukana Teknillisen korkeakoulun Aerodynamiikan ja Sovelletun termodynamiikan laboratoriot. Hankkeen kesto on yksi vuosi. Tavoitteena on tutkia ja kehittää virtausilmiöiden moderneja mallinnusmenetelmiä ja tehdä kattava selvitys niiden käyttötarpeesta ja sovellusmahdollisuuksista Suomen teollisuudessa. Hankkeen kuluessa organisoidaan alan tutkimus hakijalaboratorioissa uudelta pohjalta.
Teknillisen korkeakoulun Konetekniikan osastolla on tehty tutkimusta virtausilmiöiden mallinnuksesta parikymmentä vuotta. Toiminta on liittynyt eräisiin konkreettisiin sovelluksiin, mutta se on ollut myös suurelta osin alan perustutkimusta. On selvää, ettei Suomen Akatemian ja Opetusministeriön rahoittaman tutkijakoulun yhteinen panostus riitä ylläpitämään tutkimustoimintaa. Koska monimutkaisten virtausilmiöiden fysiikan tutkimus sekä alaan liittyvä asiantuntemus ja opetus ovat kuitenkin Suomen teollisuuden kannalta elintärkeitä, on nyt nähty välttämättömäksi suunnata tutkimusta uusiin haasteellisiin ongelmiin ja käynnistää selvitys koko tutkimusalueen tulevaisuuden tutkimustarpeesta.
Hakijalaboratoriot edustavat alallaan maamme huippua ja eräiltä osin jopa kansainvälistä kärkitasoa. Molemmilla laboratorioilla julkaisutoiminta on millä tahansa kriteereillä tarkasteltuna korkealla tasolla, ja tutkimustuloksia on julkaistu alan arvostetuimmissa lehdissä. Akateemiselta saralta voidaan saavutuksina mainita jo pitkään toiminut OPM:n rahoittama tutkijakoulu, TKK:n paras väitöskirja vuonna 2004 ja hyvät arviot tehdyissä arvioinneissa. Äskettäin Akatemian rahoituksella käynnistettiin uuden tyyppinen kaupunkien katukuilujen virtauksiin keskittyvä hanke, jonka osuus Akatemian mallinnustutkimuksesta oli poikkeuksellisen suuri. TKK:n vetämä konsortio on hakenut myös Akatemian huippuyksikön statusta. Hakijatahojen toimesta kehitettyjä malleja on otettu käyttöön sekä koti- että ulkomaisissa tutkimuslaitoksissa. Monet avainasemassa olevat tutkijat ovat suorittaneet tohtorin tutkinnon ja heidän osaltaan on tavoitteena järjestää rahoitusta myös Akatemian kautta.
Virtaus voi olla luonteeltaan laminaaria tai turbulenttia. Virtaus käyttäytyy näissä hyvin eri tavoin, mutta virtauksen paikallista luonnetta on usein vaikea ennustaa. Vaikka kumpikin virtaustyyppi voidaan kuvata samoilla yhtälöillä, on turbulenttiin virtaukseen liittyvien eri kokoisten pyörteiden tarkka kuvaus toistaiseksi mahdotonta sovelluslaskelmissa eikä välitöntä ratkaisua ole näköpiirissä. Virtaukseen liittyvä muu fysiikka, kuten kemialliset reaktiot sekä eri komponenttien kulkeutuminen ja leviäminen, perustuu juuri turbulenssiin, jonka ymmärtäminen on keskeinen osa virtausmekaniikkaa.
Laminaari virtaus voidaan ratkaista tarkasti ja yksikäsitteisesti numeerisesti. Hyvin pienellä Reynoldsin luvulla, mikä käytännössä yleensä tarkoittaa pientä laskenta-aluetta (geometriaa) tai pientä virtausnopeutta, on myös mahdollista ratkaista virtausyhtälöt hyvällä tarkkuudella turbulentissa tapauksessa, jolloin puhutaan suorasta simuloinnista. Käytännön tehtävissä Reynoldsin luku on yleensä niin suuri, että suora simulointi ei tule kysymykseen, ja silloin on tehtävä approksimaatioita, sekä numeerisia että mallinnukseen liittyviä. Tästä lähestymistavasta on alettu käyttää termiä 'turbulenssin simulointi' erotuksena perinteiseen aikakeskiarvotukseen perustuvaan laskentaan, jossa turbulentti liike ei sisälly ratkaisuun. Koska turbulenssin simulointi on aikaa vievää, vaatii rinnakkaislaskentaa eikä ole helposti käytännössä toteutettavissa, on luonnollista ajatella juuri sen muodostavan tärkeän tutkimusalueen tulevaisuudessakin ja perustan tutkimuslaitoksissa tehtävälle työlle.
Tutkimuksen suuntaamista pohdittaessa on tullut esille muutamia keskeisiä ongelma-alueita, joihin tutkimus tässä vaiheessa suunnataan. Näistä useimpiin voidaan yhdistää jo lähitulevaisuudessa myös soveltamista. Tutkimustarpeen selvittämiseksi ja mahdollisten jatkoprojektien käynnistämistä varten merkittävä osa panostuksesta käytetään suunnittelutyöhön, johon apuna käytetään ulkopuolista konsulttia. Tarjouskilpailun perusteella konsulttipalvelu on tilattu Laminaari Oy nimiseltä yhtiöltä. Koko hankkeen tasolla on yhteinen koordinaatio-osuus, jossa tullaan tekemään selkeä ehdotus alan tutkimuksen järjestämisestä tulevaisuudessa ja jossa tehdään myös seuraavan keväällä 2007 käynnistettävän hankkeen valmistelu. Tämän hetken käsityksen mukaan siinä pyritään isohkoon ryhmähankkeeseen, jossa on 5-10 yritysosapuolta. Tutkimustahojen määräksi tullee 4-5 ja kokonaisuus tulee olemaan rakenteeltaan uusi.
VISION-hankkeessa tutkimus on myös rakenteeltaan sellainen, että se tukee jo käynnissä olevia yrityshankkeita tai käynnistettävien teollisten sovellusten tarvitsemaa mallinnusta. Näihin hankkeisiin sitoutuneet teollisuusosapuolet muodostavat projektin johtoryhmän rungon.
Eri osa-alueet on ryhmitelty seuraaviksi osatehtäviksi:
1. Kehitetään menetelmä, joka ennustaa virtauksen muuttumisen laminaarista turbulentiksi, eli otetaan käyttöön transition mallinnus.
2. Tutkitaan kehittyneiden turbulenssimallien kytkemistä lämmönsiirron laskentaan, kun käytetään perinteistä Reynolds-keskiarvotettua mallinnusta.
3. TKK:n ja eräiden yritysten välillä on parhaillaan käynnissä yrityshanke, jossa Reynolds-keskiarvotetun laskennan ongelmia ja mahdollisuuksia näissä tilanteissa tutkitaan LES- ja mittaustulosten avulla. VISION-hankkeessa tutkitaan yksityiskohtaisesti kahden pisteen korrelaatioiden avulla näiden vuorovaikutusilmiöiden dynamiikkaa yrityshankkeessa syntyviä tuloksia hyväksikäyttäen. Työ on luonteeltaan perustutkimusta.
4. RANS-laskennan ja LES:n yhdistelmällä, ns. hybridimallinnuksessa pyritään yhdistämään molempien lähestymistapojen hyvät puolet. Pinnan lähellä sovelletaan Reynolds-keskiarvottamiseen perustuvaa mallia ja muualla puhdasta LES-lähestymistapaa. Tarkoituksena on löytää käyttökelpoisia ratkaisuja, joita voidaan soveltaa tulevissa tutkimushankkeissa.
5. Monifaasivirtausmallinnus on tullut tietokoneiden tehon kasvaessa teknisesti mahdolliseksi ja sitä tutkitaan Suomessakin mm. MASI-ohjelmassa. VISION-hankkeessa aloitetaan perehtyminen tähän erittäin vaativaan virtausilmiöön.
6. VISION-hankkeeseen sisältyy olennaisena osana Suomen teollisuuden tarpeiden selvittäminen virtausmallinnuksen alalla ja sen tuloksia käytetään seuraavan hankkeen suunnittelussa. Seuraavan projektin toimintaverkosto laaditaan tässä osiossa.
VISION-hankkeen tarkoituksena on toimia siltana hakijatahojen pitkään jatkuneen turbulenssitutkimuksen ja tulevaisuuden uusien hankkeiden välillä. Tällä hetkellä on jo näkyvissä kolme uutta teollisuusvetoista projektia, joista kaksi on käynnistynyt vuoden 2006 puolella ja kolmas ensi vuoden alusta lähtien.
Toisena hyötynä on alan tutkimustarpeen systemaattinen selvittäminen. VISION-hankkeeseen osallistuvien näkemyksen mukaan tähän mennessä tehdyllä tutkimuksella on ollut suuri välillinen vaikutus alan teollisuuteen ja sen osaamiseen virtauslaskennan alueella. Tutkimustarpeen selvityksen yhteydessä olisi välttämätöntä päästä konkreettisen uuden projektiesityksen tasolle. Tämä edellyttää selkeää käsitystä siitä, miten yliopistoissa tehtävää alan tutkimusta tulee suunnata tulevaisuudessa ja myös siitä, miten aluetta ylläpidetään ja rahoitetaan julkisten tahojen toimesta. Voidaan todeta, että TKK:n Konetekniikan osaston kohdalla luodaan myös koko laskennallisen virtausmekaniikan opetuksen ja tutkimuksen tulevaisuudelle pohja tällä hankkeella.
TKK on luonteeltaan tiedeyliopisto ja virtausmekaniikankin osalta yliopiston tehtävänä on luoda uutta tietoa ja siihen perustuvaa opetusta. Tämän hankkeen osina on haasteellisia uusia tutkimusalueita, joita ei ole ainakaan Suomessa juuri tutkittu. Yksivuotisen VISION-hankkeen aikana tullaan kuitenkin saamaan aikaan useita julkaisuja ja saadaan alulle uusia tutkimussuuntia, erityisesti vaativissa, ajan suhteen tarkoissa simuloinneissa. Vaikka kyseessä on monissa suhteissa perustutkimukseen rinnastettava työ, sen tuloksia voidaan eräiltä osin hyödyntää jo nykyisin teollisuuden haastavissa ongelmissa. Teollisuudella ei ole Suomessa riittävää asiantuntemusta eikä edes riittäviä laskentaresursseja VISION-hankkeen kaltaisen tutkimustyön toteuttamiseksi.
Hankkeen päärahoittajana on Tekes, lisäksi yllämainitut teollisuusyritykset ja virtauslaskentapalveluita tarjoavat yritykset osallistuvat rahoitukseen.
sivu päivitetty 3.1.2007