Turbulensens guldålder
I alla tider har turbulens i vätskor och gaser kittlat fantasin hos dem som iakttar naturen. Både barn och vuxna fascineras av rörelsen i yrande snö och strömmande vatten. Den turbulens som finns i drivande moln, fallande löv, cigarettrök och tom i grädden som rörs om i en kaffekopp, pockar ständigt på vår uppmärksamhet. Från vinter till sommar gör turbulensen oss medvetna om vårt livs snabba puls och våra tillkortakommanden, t ex när vi nästan omedvetet lägger märke till vår rykande andedräkt eller då vi lättjefullt drömmande betraktar de vita strecken efter ett flygplan. Och vem har inte villigt låtit sig hypnotiseras av lågorna i en brasa? Verkningarna av turbulens berikar livet för oss alla. Ändå kan ingen begripa dess mysterier. Att skilja mellan vad som konst och forskning är ofta svårt - speciellt för sådana som, likt mig, försöker.
Men samtidigt som den allerstädes närvarande turbulensen glädjer oss med sina oändliga konstnärliga variationer, utmanar den också vår strävan att behärska vår omvärld. Det är därför som turbulens ligger högt upp på varje lista över större olösta problem för vetenskap och ingenjörskonst. Det är också därför som den stått i fokus för min egen forskning i trettio år. Som forskarstudent blev jag fascinerad av att problemet verkade så oöverstigligt. Jag blev också helt fängslad av det faktum att jag inte bara kan tänka på det utan också iakttaga det överallt omkring mig. Vare sig jag kör bil, flyger eller gör en båtresa är turbulensproblemet allerstädes närvarande. Eftersom så är fallet drivs jag av både vetenskaplig nyfikenhet och ingenjörsmässiga behov.
Låt oss betrakta det ingenjörsmässiga problemet. Det behövs ingen större fantasi för att inse att kostnaden för vår begränsade kunskap om turbulens måste vara enorm, även om det är svårt att sätta en prislapp på den. Försök till exempel att uppskatta den samlade kostnaden för samhället av ofullständiga väderprognoser baserade på vår begränsade förmåga att förutse turbulens. Att utifrån empirism, grova ingenjörsmässiga modeller och experiment vara tvungen att konstruera nästan alla system som innehåller fluider och värme - från kylare på bilar till vingar på överljudsplan - vad betyder det i ökade kostnader för konsumenten? Lägg till detta behovet av höga säkerhetsfaktorer och ett icke-optimal funktion, men räkna också in den ibland avskräckande kostnaden för nyutveckling.
Ett märkligt kännetecken för turbulensforskare är att vi ofta sitter på två stolar - vetenskapsmannens och ingenjörens. Å ena sidan kan vi göra skenbart oanvändbara experiment för att belysa någon dold egenskap hos turbulens, som inte har någon uppenbar ingenjörsmässig användning. Å andra sidan kan vi pyssla med konstanterna i "turbulensmodeller" för att förbättra "den ingenjörsmässiga beräkningen" även om modellerna kan förbindas med strömningsmekanik endast på det primitivaste sätt. Å ena sidan försöker vi, som alla vetenskapsmän, att förstå; å den andra att, som alla ingenjörer, möjliggöra konstruktioner. Tyvärr har även vi själva ibland svårt att begripa dessa dubbla uppgifter eftersom de inte nödvändigtvis kompletterar varandra - åtminstone inte i den här generationen!
En vetenskapsman eller matematiker skulle förvisso kunna hävda att vi inte vet tillräckligt om turbulens för att ens kunna börja fundera på de ingenjörsmässiga problemen. Till att börja med har vi färre ekvationer än obekanta i alla försök att förutsäga något annat än de momentana rörelserna hos de enklaste strömningsfall. Dessutom kommer vi inte att kunna utföra ens dessa beräkningar för verkliga ingenjörsmässiga problem förrän många fler generationer datorer kommit och gått. Och även om vi kunde simulera verkliga strömningsfall skulle vi drunkna i mängder av data, särskilt som vi saknar adekvata kriterier för att välja ut vad som är betydelsefullt. Det vi tror oss förstå om turbulens har dessutom aldrig testats i välkontrollerade experiment, eftersom vi aldrig haft tillräckligt storskaliga anordningar. I själva verket är kanske mycket av det som turbulensforskare är överens om mer beroende av hur gamla idéerna är än av att de någonsin prövats experimentellt i hela det område där de förutsätts gälla.
En ingenjör skulle invända att flygplan måste flyga, väderprognoser göras och vatten- och avloppssystem måste byggas. Samhället behöver också mer energi-effektiva maskiner, för att inte tala om bättre metoder för själva energiomvandlingen. Hur ofullständig vår kunskap än är har vi som ingenjörer ett ansvar att göra vårt bästa med vad vi har. Ingenjören skulle faktiskt kunna fortsätta att vi har klarat oss så bra med så lite så länge att det kanske inte behövs någon ny forskning alls, särskilt om han måste betala för den.
den berömde brittiske aerodynamikern B. Melville Jones har på ett underbart sätt fångat problemets innersta kärna när han sade:
"En framgångsrik forskning låter problem, som en gång verkade hopplöst komplicerade, uttryckas så enkelt att vi snart glömmer att de någonsin var problem. Alltså, ju framgångsrikare forskning, desto svårare blir det för dem som använder sig av dess resultat att uppskatta det arbete som lagts ned. Det är kanske därför som just de människor, som lever på resultaten av äldre forskning, så ofta är de mest kritiska till det arbete och den möda som, under deras egen tid, läggs ned på att lösa framtidens problem."
Men jag är vetenskapsman och ingenjör, och detta färgar mitt personliga sätt att angripa turbulensproblemet. Mina studenter, medarbetare och jag utforskar turbulensens innersta väsen. Vi tvekar inte att utmana de gamla idéerna eller att föreslå nya. Men mest av allt försöker vi vara ärliga med vad vi vet, vad vi bara tror är sant och vad vi använder i brist på bättre alternativ. Vi försöker särskilt hålla i minnet att vårt yttersta mål inte är att vidga vår förståelse, utan att tillhandahålla ingenjörsmässiga lösningar på verkliga problem.
Detta dubbla sätt att angripa turbulensproblemet kännetecknar också det laboratorium för turbulensforskning vi håller på att bygga upp på Chalmers. Personalen har omsorgsfullt valts ut från universitet och industri, med hänsyn tagen till deras expertis och allmänna kunskapsbredd. Utrustning och experiment ska hjälpa till att avslöja ny fysik och att kontrollera existerande hypoteser, men också till att tillhandahålla viktiga nya data för att utveckla ingenjörsmässiga modeller. Den utrustning vi ska installera erbjuder möjligheter att förstå strömningsfall som var nästan omöjliga att föreställa sig för bara tio år sedan. På ett möte nyligen i American Physical Society antydde professor Franz Durst från Erlangen att vi på grund av detta är på väg in i turbulensens och strömningsmekanikens guldålder. Vårt mål med TRL är att göra Chalmers till en betydelsefull deltagare i denna guldålder.
Jag har varit professor i tjugo år i USA, så jag kom inte till Sverige för att bli professor. Jag har kommit till Sverige för att jag tror att jag kan bli en bättre professor. Den rika traditionen på Chalmers liksom den uttalade viljan till framåtskridande hos både fakultet och ledning, bidrar till att skapa en omgivning där mina medarbetare och jag kan vara kreativa och produktiva. Förhoppningsvis kommer vi härigenom att kunna lämna värdefulla bidrag inte bara till turbulensforskningen utan till samhället som helhet. Det är en glädje att ha denna möjlighet att bli medlem av Chalmers fakultet och att kunna dela den med mina medarbetare i det nya laboratoriet för turbulensforskning (Turbulence Research Laboratory, TRL) vid institutionen för termo- och fluiddynamik.
(Texten publicerades 2000 i skriften Ny kunskap.)