Tamning turbulens:Søger at gøre komplekse simuleringer til en leg

For forskere, der kæmper med så forskellige problemer som at indeholde superhot plasma i en fusionsreaktor, forbedre nøjagtigheden af ​​vejrudsigter, eller undersøge den uforklarede dynamik i en fjern galakse, turbulens-gydende shear flow er en alvorlig komplicerende faktor.

Kort sagt, forskydningsstrøm opstår, når to væsker - hvor væsker er en væske, en gas eller et plasma (den amorfe superhotgas, der udgør stjerner som vores sol eller som forekommer i en fusionsenhed) - passerer hinanden, f.eks. når vinden strømmer over en sø eller varme gasstråler fra en galakse. Det turbulente kaos, der opstår som følge af de interagerende væsker, kan være overordentlig svært at genskabe i de numeriske modeller, forskere bruger til at beskrive og forstå en lang række fænomener.

Klippe, for eksempel, er en forvirrende faktor for kritiske anvendte problemer, såsom at forudsige spredningen af ​​røg fra massive naturbrande. Røg fra brande som dem, der for nylig fandt sted i Californien, kan spredes bredt tusinder af kilometer fra kilden og bidrage til problemer med luftkvaliteten.

"Disse modeller er virkelig nyttige til at forstå systemer, hvor strømmen er hurtig, "siger Adrian Fraser, en University of Wisconsin-Madison kandidatstuderende i fysik og hovedforfatter af en undersøgelse offentliggjort mandag, 10. december kl. i journalen Plasmas fysik .

Men selv at bruge verdens mest kraftfulde supercomputere i et show af brute force, visse fænomener er for komplekse og dynamiske til pålideligt at blive genskabt i silico.

Forskere har forsøgt at komme uden om problemet ved at forenkle og analysere deres modeller for at se på elementer i et system i håb om, at de kan samles igen for at redegøre for helheden. Men ved at gøre det, Fraser noter, forskere kan have overset en fælles kollektiv effekt, der ikke kun har indflydelse på et systems dynamik, men, ifølge den nye forskning, synes at være et praktisk håndtag til i høj grad at forenkle den digitale genskabelse af fænomener som spredning af varme og kemikalier i et system - problemer, der nu overvælder selv de mest kraftfulde supercomputere.

Ved at bruge de avancerede supercomputere, Frasers team, herunder UW-Madison fysikprofessorer Paul Terry og Ellen Zweibel sammen med MJ Pueschel fra University of Texas, kiggede på, hvordan turbulens udspiller sig over lange perioder, når dens bevægelser indeholder en komponent, der normalt dør meget hurtigt. Ser man nærmere på systemet, forskerne observerede, at denne tilsyneladende forbigående komponent forstærkes over tid og udøver større indflydelse end man vidste.

"Dette er den eneste kollektive bevægelse, der var blevet antaget ikke at have betydning i disse systemer. Vi viste, at det betyder noget, "siger Fraser." Og ved at bemærke det, vi var i stand til dramatisk at forbedre eksisterende modeller for, hvordan forskydning-turbulens ændrer sig i forskellige systemer. "

De fleste tidligere undersøgelser fokuserede på at repræsentere bevægelser med komponenter, der ikke dør bort, fordi de i stedet er direkte drevet af forskydningen.

Det er ligetil at måle, hvordan varme eller farvestof diffunderer i en stationær væske, Fraser forklarer, men "hvis væsken er turbulent, er det virkelig svært at finde ud af, hvordan farvestoffet eller varmen diffunderer fra en del af væsken til en anden del på grund af alle de komplicerede bevægelser, der opstår i turbulens."

Ved at repræsentere systemet med både voksende og henfaldende bevægelser, det er lettere at se hele billedet og i høj grad forenkle systemet til modellering.

"Slutresultatet er en simpel model, der forudsiger resultater, der er meget i overensstemmelse med de massive simuleringer, vi udførte, "siger Fraser, bemærker, at tidligere vanskelige problemer ved design af fusionseksperimenter, forbedring af vejrmodeller, og forståelse af astrofysiske fænomener som stjernedannelse vil lettere blive adresseret uden behov for dyre supercomputere.

Vyacheslav Lukin, programdirektør for Plasma Fysik og Accelerator Science ved National Science Foundation, siger, at den nye undersøgelse vil hjælpe forskningsmiljøet med at fortsætte med at løse komplekse plasmafysiske problemer. "Yderligere fremskridt med nøjagtig modellering af store plasmasystemer afhænger kritisk af vores evne til at kombinere analytiske metoder med high fidelity direkte numeriske simuleringer, og disse nye resultater skal hjælpe os med at gøre endnu et skridt i den retning. "