Forskere regner sig frem til renere kulværker

Når du tænker på turbulens, du tænker måske på en ujævn flytur. Turbulens, imidlertid, er langt mere allestedsnærværende i vores liv end bare flyrejser. Havets bølger, røg fra ild, selv støj fra jetmotorer eller vindmøller er alle relateret til turbulens.

Et team af forskere ved RWTH Aachen University's Institute of Aerodynamics (AIA) har længe været interesseret i at bruge beregning til at forstå turbulens - et af de største udfordrende mysterier ved væskedynamik - og hvordan det relaterer sig til flystøj, brændstofeffektivitet, eller transport af forurenende stoffer blandt andre forskningsinteresser.

Teamet har brugt Cray XC40 Hazel Hen-supercomputeren på High-Performance Computing Center Stuttgart til at studere turbulente flerfasestrømme-bevægelse af to materialer i forskellige tilstande (f.eks. Faste stoffer og væsker) eller materialer i samme tilstand, som, af kemiske årsager, ikke kan blandes (f.eks. olie og vand). Teamet arbejder også på at forbedre nøjagtigheden af ​​turbulenssimuleringer på mere beskedne computere.

For nylig, holdet offentliggjorde et papir i Journal of Fluid Mechanics beskriver sin køreplan mod bedre modellering af turbulente flerfasestrømme. Arbejdet understøtter teamets større tværfaglige mål. "Dette projekt er en del af en større forskningsenhed, hvor vi undersøger, hvordan man kan gøre kulkraftværker mere miljøvenlige med hensyn til deres CO2 -emissioner, "sagde RWTH -forsker Dr. Matthias Meinke.

Under forbrændingen, gasser blandes med små, faste partikler, hvilket betyder, at realistiske simuleringer kan indeholde milliarder af disse komplekser, flerfasede interaktioner. For at løse de gigantiske beregningsomkostninger, der er forbundet med sådanne enorme beregninger, mange forskere bruger bare modeller til partikelbevægelse i et flow, sænke beregningsomkostningerne ved at forenkle simuleringen. Imidlertid, disse forenklinger kan også skade nøjagtigheden og, på tur, forudsigelseskraften i simuleringer.

RWTH Aachen -teamet ønsker at forbedre sine beregningsmodeller for at tage højde for de små interaktioner, der har stor indflydelse på turbulente strømme. "Vi ville finde ud af en mere detaljeret metode, der er nødvendig for at vi kan forstå disse partikelbelastede strømme, når partiklerne er ekstremt små, "sagde prof. dr. Wolfgang Schröder, AIA -direktør og samarbejdspartner på teamets projekt. "Disse partikler definerer faktisk effektiviteten af ​​den samlede forbrændingsproces, og det er vores overordnede mål, fordi, fra et teknisk perspektiv, vi ønsker at gøre de modeller, der beskriver disse typer processer, mere præcise. "

Skalering ved at nedskalere

I det væsentlige, turbulens sker, når et flow bliver for spændt. Det være sig væsker eller gasser, alle væsker har en eller anden form for viskositet, som hjælper med at korralere den kinetiske energi (bevægelsesenergi) i et flow. Hvis energien i et flow er høj, og væsken er ikke tyk, eller tyktflydende, nok til at sprede energien, bevægelsen går fra meget ordnet (laminær strømning) til kaotisk (turbulent strømning). Dette kaos overføres fra større til mindre skalaer, indtil væskens viskositet igen får kontrol over strømmen ved at gøre den kinetiske energi til varme.

Den mindste skala - hvor kinetisk energi omdannes til varme og viskositet igen tager kontrol over strømmen - kaldes Kolmogorov -skalaen.

Teamet ønskede at beregne det turbulente flow op til Kolmogorov -skalaen med den mest nøjagtige væskedynamikmetode muligt.

Mange forskere, der studerer væskedynamikproblemer relateret til turbulens, bruger Large-Eddy Simulations (LES) til at reducere beregningsomkostningerne ved at gøre visse antagelser om, hvad der sker i de mindste skalaer. Imidlertid, den mest realistiske måde at beregne turbulente processer på er at bruge Direct Numerical Simulations (DNS). DNS tillader forskere ikke at antage på de mindre skalaer, hvilket betyder, at nøjagtigheden er forbedret, men beregningsomkostningerne er højere.

Brug af Hazel Hen, holdet var i stand til at køre en DNS -simulering på et system på 45, 000 partikler med en størrelse på Kolmogorov -skalaen. Så vidt teamet ved, dette er den største simulering af partikler på denne skala til dato, og fungerer som et benchmark for, hvordan andre forskere, der studerer denne proces, kan få mere realistiske simuleringsresultater. For at få det bedste fra begge verdener i forhold til partiklerne i Kolmogorov-skalaen og DNS-simuleringerne, holdet skulle absolut have en supercomputer i verdensklasse og support i verdensklasse.

"I betragtning af det endelige resultat, det ville ikke have været muligt at foretage denne form for forskning - at udføre beregningerne og foretage analysen - uden Hazel Hen. Uden denne maskine, der ville ikke være nogen måde at konkurrere med andre internationale forskningsgrupper på dette område, "Sagde Schröder.

"Det er svært at få alt til at fungere, som det skal være, især på sådanne store platforme, "Sagde Meinke." Hvis vi vil lave efterbehandling, vi har brug for specialisering. Vi tester konstant nye parallelle filsystemer, fordi at skrive data tilbage til disken er en stor flaskehals. For alle disse ting, vi er konstant i kontakt med og får værdifuld støtte fra HLRS -personalet. "

Nøjagtighed for alle

Med succesen med dens store DNS kører på en af ​​verdens hurtigste supercomputere, teamet retter nu opmærksomheden mod at forbedre nøjagtigheden af ​​turbulenssimuleringer for forskere, der muligvis ikke har adgang til supercomputere.

Teamet begynder at arbejde på metoder til at integrere de data, det har modtaget fra dets DNS -simuleringer i enklere, mindre beregningsmæssigt intensive metoder. Dette vil ikke kun give teamet mulighed for at lave flere simuleringer, det giver mulighed for meget større simuleringer, der kan udføres med en højere grad af nøjagtighed.

Dette vil ikke kun gavne forskerne - det vil også gavne industrien. "Vi skal verificere vores forenklede modeller, så de er gyldige, og det er vigtigt for folk, der designer kulkraftværker. De skal bruge sådanne modeller, ellers kan de ikke præcist forudsige hele processen, "Sagde Meinke. Disse validerede modeller giver forskerne mulighed for at forudsige hele processen mere præcist.

Da Gauss Center for Supercomputing leverer sine næste generations systemer til HLRS og dets partnercentre i Jülich Supercomputing Center og Leibniz Supercomputing Center, Garching nær München, Schröder og Meinke er begejstrede for at dykke ned i endnu mere komplekse simuleringer.

"I vores papir, vi betragter kun sfæriske partikler, "Schröder sagde." Der er andre partikler med en mere nålelignende form med tynde filamenter, og disse er nødvendige for at simulere. Vi skal finde på en bedre model og generalisere vores analyse på en sådan måde, at vi kan levere en model, der kan bruges af andre grupper. "