Figura 1 El dominio de simulación (SD). La altura de la capa límite atmosférica δ se modela como un flujo turbulento de medio canal con condiciones periódicas a lo largo y ancho de la corriente. El límite inferior se modela como una pared virtual (VW) a ε (≪ δ) de altura.
Un fenómeno meteorológico complejo que ha desconcertado a los investigadores desde el siglo XIX ahora se puede modelar con precisión utilizando un marco de simulación por computadora desarrollado en KAUST.
Un aspecto menos conocido de las tormentas de arena es que pueden generar campos eléctricos de gran magnitud capaces de interrumpir los equipos de comunicación. Estudios recientes han demostrado que la arena puede absorber electricidad estática a través de colisiones que tienen lugar cerca del suelo. Menos seguro, aunque, Así es como se comporta la arena electrificada una vez en el aire. Las intensidades de campo observadas requieren algún medio para separar las partículas con carga opuesta entre sí a grandes escalas.
Ravi Samtaney y su equipo en KAUST se dieron cuenta de que debido a que ocurren muy pocas colisiones entre partículas de arena en la atmósfera, otro mecanismo físico podría estar detrás de la formación de campos eléctricos. Propusieron que la turbulencia, el movimiento estocástico de las partículas de arena incrustadas en el flujo de aire, podría hacer que los granos de arena se separen espontáneamente. Demostrando esta teoría, sin embargo, requeriría algún medio para simplificar un problema con muchas variables dinámicas.
"Resolver todas esas partículas de arena y movimientos turbulentos requeriría un poder computacional poco realista, ", dice Samtaney." Así que usamos lo que se llama una simulación de remolinos grandes, donde las pequeñas fluctuaciones se suavizan y solo quedan las grandes. Estamos situando el modelo dentro de la tormenta de arena, durante varios minutos u horas, para ver qué es estadísticamente estable ".
Como parte de su Ph.D. investigar, Mustafa Rahman se unió al grupo de Samtaney para abordar este problema. Ayudó a desarrollar un enfoque en el que los remolinos turbulentos de las tormentas de arena se modelan dentro de una caja virtual que se extiende desde el nivel del suelo hasta alturas de escala de kilómetros en la atmósfera. Controlaron la fuerza de la tormenta de arena con un algoritmo que introduce diferentes densidades de partículas cargadas en la caja, justo encima del suelo del desierto.
"Cerca del suelo, el aire turbulento se acopla con el transporte de arena y se influyen entre sí, ", dice Rahman." Estos mecanismos son difíciles de modelar con técnicas convencionales ".
El equipo pasó meses modelando y codificando en Shaheen-II, Superordenador masivamente paralelo de KAUST, para resolver los grandes remolinos con suficiente detalle. Sus cálculos revelaron que los granos de menor tamaño tendían a seguir el flujo turbulento, pero los granos más grandes no lo hicieron. Debido a que las dos clases de tamaño de granos de arena tenían cargas opuestas, Esta separación basada en turbulencias creó un campo eléctrico que se mantuvo y reforzó aún más la separación de carga, produciendo en última instancia campos eléctricos cercanos a varios cientos de miles de voltios por metro, que coinciden con precisión con las mediciones de campo.
"La reproducción de las mediciones del campo eléctrico significa que nuestro marco de simulación se puede utilizar como herramienta predictiva, incluso para rovers y satélites que se ocupan de las nubes de polvo en Marte, "dice Samtaney.
