Forskere skaber ny teknik til modellering af turbulens i atmosfæren

Hærens forskere har designet en computermodel, der mere effektivt beregner adfærden af ​​atmosfærisk turbulens i komplekse miljøer, herunder byer, skove, ørkener og bjergområder.

Denne nye teknologi kan give soldater mulighed for at forudsige vejrmønstre hurtigere ved hjælp af computere ved hånden og mere effektivt vurdere flyveforholdene for luftfartøjer på slagmarken.

Turbulens kan være usynlig for det blotte øje, den er altid til stede omkring os i luften i form af kaotiske ændringer i hastighed og tryk.

Traditionelle beregningsmæssige væskedynamikmetoder til at analysere atmosfærisk turbulens behandler væsken som et kontinuum, løse de ikke-lineære Navier-Stokes differentialligninger, der er involveret.

Imidlertid, beregning af turbulensen i det planetariske grænselag, det laveste lag af atmosfæren, kan være svært på grund af, hvordan tilstedeværelsen af ​​træer, høje bygninger og andre aspekter af landskabet har direkte indflydelse på dets adfærd.

TCFD-metoder skal tage højde for alle effekter af de tilstødende punkter, der omgiver målet, hvilket skaber en enorm beregningsbelastning, der er meget vanskelig at implementere effektivt på moderne parallelle arkitekturer, såsom Graphics Processing Unit acceleratorer.

Som resultat, disse metoder står ofte over for udfordringer, når de konfronteres med mere indviklede miljøer på grund af begrænsninger i behandlingen af ​​komplekse overfladegrænser.

I et forsøg på at søge efter en alternativ tilgang, et team af forskere fra U.S. Army Research Laboratory ledet af Dr. Yansen Wang henvendte sig til området for statistisk mekanik for at få ideer.

Det de fandt var Lattice-Boltzmann metoden, en teknik, der bruges af fysikere og ingeniører til at forudsige væskeadfærd i meget lille skala.

"Lattice-Boltzmann-metoden bruges normalt til at forudsige udviklingen af ​​et lille volumen af ​​turbulensstrømme, men det har aldrig været brugt til et område så stort som atmosfæren, " sagde Wang. "Da jeg læste om det i en forskningsartikel, Jeg troede, at det kunne anvendes på ikke bare en lille mængde turbulens, men også atmosfærisk turbulens."

I modsætning til TCFD-metoder, LBM behandler væsken som en samling af partikler i stedet for et kontinuum og er blevet brugt i vid udstrækning i væskesimulering for præcist at skildre væskedynamikken.

Wang og hans team fastslog, at denne nye tilgang nøjagtigt kunne modellere atmosfærisk turbulens, mens den krævede meget mindre beregning, end hvis de havde løst NS-differentialligningerne.

Denne grundlæggende ændring tillod dem i det væsentlige at se bort fra en stor del af de tilstødende punkter på gittermodellen, reducere antallet af tilstødende adfærd for at tage højde for og væsentligt mindske beregningsbelastningen.

Som et resultat af deres undersøgelse, forskerne brugte den nyudviklede multi-relaxation-time Lattice-Boltzmann metode til at skabe en avanceret atmosfærisk grænselagsmiljømodel, som specifikt behandlede meget turbulent flow i komplekse og urbane domæner.

Dette er første gang, at en avanceret MRT-LBM-model er blevet brugt til at modellere atmosfæren.

Den nyudviklede ABLE-LBM-model baner vejen for en meget alsidig tilgang til forudsigelse af atmosfærisk grænselagsflow.

Ud over at give hurtigere driftshastighed og enklere kompleks grænseimplementering, denne tilgang er iboende parallel og dermed kompatibel med moderne parallelle arkitekturer, gør det til en potentielt levedygtig modelleringsmetode på taktiske beregningsplatforme for det amerikanske militær.

"På slagmarken, du vil have atmosfæriske turbulensdata hurtigt, men du har ikke nødvendigvis nogen supercomputere ved hånden, " sagde Wang. "Men, du har moderne computerarkitektur med tusindvis af processorer, der gør databehandling hurtig, hvis algoritmen er passende. Med ABLE-LBM, du kan bruge disse moderne computerarkitekturer til at beregne turbulens på slagmarken uden at skulle oprette forbindelse til et højtydende computercenter."

Udviklingen af ​​ABLE-LBM-modellen har betydelige konsekvenser for mange andre aspekter af hærens operationer udover vejrudsigten.

Atmosfærisk turbulens kan i væsentlig grad påvirke optiske og akustiske bølgers opførsel, som direkte påvirker, hvad soldater kan se og høre.

Det kan fungere som en vigtig faktor i rekognoscering og ændre den vej, som en laser bevæger sig, eller hvordan lyde udsendes fra et system.

Små ubemandede luftsystemer er også prisgivet turbulenshvirvler, som kan opstå, når et vindstød rammer en bygning.

At vide, hvordan turbulensen vil opføre sig, kan hjælpe SUAS med at undgå kollisioner og endda drage fordel af eksisterende updrafts til at flyve uden deres propeller for at spare energi.

Potentielle anvendelser kan også findes uden for militæret i det civile liv.

Bedre viden om grænselagsturbulens kan hjælpe med civil planlægning i både forberedelse og beredskab ved håndtering af kemikaliespild, industribrande og andre menneskeskabte eller naturkatastrofer.

"Mange mennesker er interesserede i at anvende denne metode på forskellige områder, " sagde Wang. "Denne teknik har banet en ny måde at modellere atmosfærisk turbulens på. Vores forskning var den første, der satte vejen for denne nye retning, så vi har meget at bevise."

Detaljer om dette gennembrud er beskrevet i papiret, "Simulering af lagdelte strømme over en højderyg ved hjælp af en gitter-Boltzmann-model" af Yansen Wang, Benjamin T. MacCall, Christopher M. Hocut, Xiping Zeng og Harindra J. S. Fernando i journalen Miljøvæskemekanik .