Las turbulencias controlan la vida Convertir los fenómenos físicos en numéricos permite predecir el clima

Un importante descubrimiento sobre las turbulencias podría afectar de muy diversos modos a nuestra vida diaria. La fuerza caótica de las turbulencias domina prácticamente toda la naturaleza. Si lográramos dominar su potencia tremenda e imprevisible, no sólo conseguiríamos la ventaja evidente de aumentar la eficiencia y seguridad de los viajes en avión, sino que dominaríamos también otros temas tan importantes como las ondas de choque, las previsiones meteorológicas, la cirugía cardiovascular y el tratamiento del cáncer. Un equipo de investigadores británicos es pionero en este tema, gracias al desarrollo de sofisticados modelos informáticos para estudiar el movimiento de esos flujos inestables y corrientes parásitas en fluidos y gases. Los últimos avances en métodos informáticos para conseguir modelos más exactos de diversos fenómenos consisten en resolver ecuaciones de un modo más aproximado, es decir, con menos cálculos. Evidentemente, eso acelera los cálculos realizados y reduce espectacularmente el tiempo que lleva el proceso de diseño. Además ofrece mucha mayor precisión que los métodos lineales tradicionales. Este enfoque resulta especialmente importante para estudiar los fluidos turbulentos que hay en el espacio y en la ingeniería mecánica, que son muy caros porque lleva mucho tiempo calcularlos. Los modelos y la simulación por ordenador han contribuido de un modo excepcional al avance de la ciencia en el siglo XX, según Dimitris Drikakis, director del equipo y catedrático de mecánica de fluidos e informática en la universidad de Cranfield, Bedfordshire, quien señala que hasta hace poco, los investigadores no habían comenzado a conocer a fondo la relación que existe entre esos métodos y la física de fenómenos fluidos complejos, como la turbulencia. Métodos de alta resolución El grupo del profesor Drikakis ha conseguido establecer métodos avanzados de alta resolución para calcular con gran precisión las corrientes inestables complejas alrededor de superficies en movimiento, como las que se forman en las palas de los rotores de los helicópteros. El resultado de este proyecto fue el desarrollo de sofisticados modelos informáticos para estudiar las corrientes inestables y parásitas que puedan causar la caída del helicóptero. Pero esos cálculos se pueden aplicar no sólo a los helicópteros, sino a las alas de los aviones durante las maniobras, a las turbinas y a los modernos aerogeneradores. El profesor Drikakis ha señalado que esta investigación ha supuesto un avance significativo en los modelos informáticos de corrientes aerodinámicas inestables complejas con límites móviles. Una novedad de especial importancia ha sido el diseño de un plan numérico nuevo, de alta resolución, en el que se combinan las ecuaciones matemáticas que describen la dinámica de fluidos y avanzados modelos de turbulencias por ordenador. Tras el éxito en estas investigaciones, el equipo ha demostrado que existe una relación directa entre las propiedades matemáticas de esos métodos y las turbulencias. El resultado de estas investigaciones es un mejor conocimiento de las relaciones entre los métodos de cálculo y la física de fluidos que tendrá un impacto en las simulaciones de todos los campos científicos como la aerodinámica y dinámica de fluidos, ciencias ambientales y atmosféricas, medicina, biología y astrofísica. Colaboración internacional La importancia de este descubrimiento queda demostrada por el hecho de que el equipo británico ha aumentado gracias a nuevos colaboradores del Laboratorio Nacional de Los Álamos y el Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas, ambos en EE. UU. Pero quizá el auténtico significado de este trabajo se ve mejor en el siguiente ejemplo: para poder calcular el flujo turbulento alrededor de un avión en vuelo durante un segundo con un superordenador de 10 a 12 Mflop (millones de operaciones de coma flotante por segundo), se necesitarían años (pues habría que solucionar un sistema de 10.000 billones de operaciones). Esta dificultad sólo se puede superar mejorando la precisión de cálculo con una menor resolución y entendiendo mejor cómo podemos simular realísticamente los fenómenos del mundo real mediante métodos de alta resolución. Para explicar esto en términos más sencillos, el profesor Drikakis explica: «Todo lo que vemos a nuestro alrededor es una observación sin resolver del todo. Por ejemplo, si observamos un objeto aparentemente simétrico como la cara de una persona, y después aumentamos la micro y nano-resolución de nuestra observación, veremos cómo se rompe la simetría y el objeto es asimétrico. Así pues, cuanto más aumenta la resolución, más distinto aparecerá el mundo que nos rodea. En otras palabras, no hay nada que se parezca a una observación totalmente resuelta. De modo similar, no hay simulaciones perfectas. Por tanto, el tema es entender mejor los métodos de que disponemos para captar los fenómenos físicos y cómo pueden llevarnos a simulaciones en forma de artefactos numéricos. Esa es la única manera de predecir con gran exactitud acontecimientos futuros como el clima o la fiabilidad de las máquinas». Los métodos de alta resolución tienen una especie de magia que les permite reproducir la naturaleza en el ordenador. Para demostrar este método, el equipo de investigadores ha simulado recientemente la rotura de la estabilidad de la corriente sanguínea formando una turbulencia en un modelo de una arteria con arteriosclerosis, además de los flujos turbulentos inestables alrededor de huecos. Este problema pertenece a la aeroacústica. Otras consecuencias de este estudio son el conocimiento de la física de procesos complejos causados por la interacción de ondas de choque con burbujas de gas en líquidos. Las aplicaciones de esta técnica son la fusión inercial por confinamiento y la combustión supersónica. En cuanto a la dinámica de gases, hay diversos procesos de ingeniería que suponen la interacción de las ondas de choque con otros materiales. A menudo, esos procesos son inestables y por eso es muy importante poder hacer simulaciones fiables para diseñar estructuras más seguras. Además, esta investigación puede tener consecuencias en el sector médico, por ejemplo la utilización de ondas de choque para luchar contra el cáncer. En las previsiones meteorológicas, los métodos de alta resolución pueden dar resultados más fiables a largo plazo y, en medicina, la predicción exacta de los flujos del sistema cardiovascular puede ayudar a los cirujanos a operar con mayor precisión.