Ingeniører henvender sig til Argonnes Mira-supercomputeren for at studere supersonisk turbulens

Luftfartens grænse er supersonisk. Militæret søger stadig hurtigere fly, fly, der kan flyve fem gange lydens hastighed. Femten år efter Concordes sidste transatlantiske flyvning, Japan Airlines og Virgin Group investerer i jetfly, der kan reducere den oversøiske rejsetid med mere end det halve.

Men supersoniske hastigheder giver en række designudfordringer. For én ting, ustabile luftstrømsmønstre kan generere chokbølger, der ødelægger flyets paneler. Ingeniører skal sætte sikkerhed først, men de ønsker også at holde strukturer så lette som muligt for at opretholde energieffektivitet, der reducerer brændstofomkostningerne.

Forskere håber at forstå, hvad der forårsager disse uregelmæssige strømme ved at modellere strategier til at forhindre eller eliminere dem. "Det var ikke muligt før de sidste par år virkelig at simulere denne form for ustabilitet, fordi vi manglede computerkraft, " siger Jonathan Poggie, en lektor ved Purdue University's School of Aeronautics and Astronautics.

Men med støtte fra Department of Energy's (DOE) INCITE-program (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), Poggie og hans Air Force Research Laboratory-samarbejdspartnere har tacklet disse turbulente systemer. Deres INCITE-allokering inkluderer 200 millioner processortimer på Mira IBM Blue Gene/Q supercomputeren på Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Når en flyvinge bevæger sig gennem atmosfæren, gasser strømmer rundt om den. Når luftbevægelsen er jævn rundt om flyets konturer, det kaldes knyttet flow. Træk er lavt, Poggie bemærker, og håndværket er nemt at kontrollere.

Men fly kan gennemgå adskilt flow, især ved supersoniske hastigheder. Dette sker, når luft, der bevæger sig langs overfladen, løsner sig og danner en hvirvel, en kompliceret, ustabilt tredimensionelt strømningsmønster. Disse udsving forekommer nogle gange ved en lav frekvens, der kan give genlyd med flypaneler. Supersoniske hastigheder kan generere chokbølger, der gentagne gange slår et flys struktur. "Der er et meget alvorligt problem, når man får denne type adskillelse, idet det forårsager utrolige flowsvingninger, " siger Poggie.

Problemet er ikke unikt for de hurtigste militærfly. Supersonisk flow kan dannes omkring selv et kommercielt jetfly, såsom en 747, der flyver med 85 procent af lydens hastighed. "Vi vil gerne være i stand til at forudsige det, kontrollere det og forbedre situationen på fly, " siger Poggie.

Ligesom andre væskedynamiske problemer, ustabilitet i adskillelse giver store beregningsmæssige udfordringer. Små turbulente hvirvler kan måle brøkdele af en millimeter og kun vare tusindedele af et sekund, mens flystørrelsesstrukturer - op til 10 meter - kan vare et sekund eller mere. "For fuldt ud at fange turbulens, " Poggie siger, "vi er nødt til at fange begge skalaer."

Efterhånden som proportionerne stiger, beregningsintensiteten vokser også. Beregning af turbulens på en laboratoriebænk kræver muligvis kun en stationær computer. Flyt op til en 747, Poggie siger, og det var indtil for nylig umuligt at løse alle skalaerne.

Med deres INCITE-tildeling, Poggie og hans team modellerede oprindeligt en klassisk separationssag, ved hjælp af en rampelignende struktur med en moderat hældning og et område, der ligner en vingeklap. Simuleringen tilbød en sammenligning med vindtunneleksperimenter, der teststrømme rundt om en flyvinge.

For at løse problemet, holdet skulle først optimere algoritmer for effektivt at håndtere store mængder information parallelt på flere processorer. "Vi havde at gøre med terabyte data i stedet for gigabyte, " siger Poggie.

Med den nye kode, kandidatstuderende Kevin Porter kunne undersøge flow, mens separationsboblen bevægede sig. Simuleringerne afslørede mønstre, der opstår lige før adskillelse. Den lavfrekvente ustabilitet - med funktioner på omtrent samme størrelse som flyet - var forbundet med indkommende flow-relaterede hændelser. Vi har nu et fingerpeg om, hvorfor lavfrekvent ustabilitet opstår, siger Poggie. Den viden kunne give dem mulighed for at kontrollere adfærden.

Men de indså, at den forenklede rampe også var vildledende, selv i prøver. En vindtunnel har sider, Poggie bemærker, og hvirvler dannes i hjørnerne. Forskere havde spekuleret på, om disse hvirvler var vigtige; de synes at være.

En sådan hvirvel kan bremse strømmen, selv til subsoniske hastigheder. At krydse den kritiske tærskel ændrer lydbølgebevægelsen. Ved supersoniske hastigheder, lydbølger strømmer kun nedstrøms, men subsonisk lyd kan bevæge sig opstrøms eller nedstrøms. Den situation skaber også forstyrrelser og ustabilitet i flowet.

Forskere har udviklet to modeller for, hvordan turbulens interagerer med separationsustabilitet, siger Poggie. I et scenarie kan selve flowet være en oscillator, ophidset af udsving, der vokser. I et andet scenarie, flowet forstærker konstante indkommende udsving, men kan ikke svinge af sig selv. "Det viser sig, at vi i de sidste par år har fundet ud af, at der er en kombination af de to effekter, " siger Poggie.

Deres arbejde driller nu, når hver enkelt situation er vigtig, hvilket vil være afgørende for at kontrollere disse forstyrrelser. Til forstærkere, tilføjelse af forstyrrelser ville kun gøre situationen værre, siger Poggie. Men med oscillatorer, de kunne inkorporere aktuatorer eller aktuator-arrays for at modvirke de strømme, der udløser forstyrrelsen.

Gruppen planlægger også at modellere separationsstrømmene omkring en mere kompleks form:en finne, der efterligner et flys hale, han siger. "En finneberegning vil give os et kontrasterende flow, der vil have en subtilt anderledes adfærd."