Turbulens møder et chok

Dette kan komme som et chok, hvis du bevæger dig hurtigt nok. Chokket er chokbølger. En ballons 'pop' er chokbølger genereret af eksploderede dele af ballonen, der bevæger sig hurtigere end lydens hastighed. Supersoniske fly genererer et meget højere lydsignal, ' også fra chokbølger. Længere ude i kosmos, en kollapsende stjerne genererer chokbølger fra partikler, der løber tæt på lysets hastighed, mens stjernen går i supernova. Forskere bruger supercomputere til at få en bedre forståelse af turbulente strømme, der interagerer med chokbølger. Denne forståelse kan hjælpe med at udvikle supersoniske og hypersoniske fly, mere effektiv motortænding, samt undersøge mysterierne ved supernovaeksplosioner, stjernedannelse, og mere.

"Vi foreslog en række nye måder, hvorpå chokturbulensinteraktioner kan forstås, "sagde Diego Donzis, en lektor i Institut for Aerospace Engineering ved Texas A&M University. Donzis var medforfatter til undersøgelsen, "Chok-turbulens-interaktioner ved høj turbulensintensitet, "offentliggjort maj 2019 i Journal of Fluid Mechanics . "Vi foreslog, at i stedet for at behandle chokket som en diskontinuitet, man skal tage højde for dens begrænsede tykkelse som i det virkelige liv, hvilket kan være involveret som en styrende parameter i, for eksempel, forstærkningsfaktorer, "Sagde Donzis.

Den dominerende teoretiske ramme for stødturbulensinteraktioner går tilbage til 1950'erne, udviklet af Herbert Ribner, mens han var på University of Toronto, Ontario. Hans arbejde understøttede forståelsen af ​​turbulens og chok interaktioner med en lineær, inviscid teori, hvilket antager, at chokket er en sand diskontinuitet. Hele problemet kan således reduceres til noget matematisk håndterbart, hvor resultaterne kun afhænger af chokets Mach -nummer, forholdet mellem en krops hastighed og lydens hastighed i det omgivende medium. Når turbulens går gennem chokket, det forstærkes typisk afhængigt af Mach-tallet.

Eksperimenter og simuleringer af Donzis og kolleger foreslog, at denne forstærkning også afhænger af Reynolds -nummeret, et mål for, hvor stærk turbulensen er, og det turbulente Mach -nummer. "Vi foreslog en teori, der kombinerede alle disse til en enkelt parameter, " sagde Donzis. "Og da vi foreslog denne teori for et par år siden, vi havde ikke velopløste data i meget høj opløsning for at teste nogle af disse ideer. "

Indtast Stampede2, en 18 petaflop supercomputer ved Texas Advanced Computing Center, del af University of Texas i Austin. Stampede2 er den mest kraftfulde computer i USA til åben videnskabelig forskning, hvor resultaterne gøres frit tilgængelige. Donzis blev tildelt beregningstid på Stampede2 gennem XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment. Både Stampede2 og XSEDE er finansieret af National Science Foundation.

"På Stampede2, vi kørte et meget stort datasæt af stødturbulensinteraktioner under forskellige forhold, især ved høje turbulensintensitetsniveauer, med en grad af realisme, der ligger ud over, hvad der typisk findes i litteraturen med hensyn til opløsning i de små skalaer, hvad angår rækkefølgen af ​​den ordning, vi brugte, " sagde Donzis. "Tak til Stampede2, vi kan ikke kun vise, hvordan forstærkningsfaktorer skaleres, men også under hvilke betingelser vi forventer, at Ribners teori holder, og under hvilke betingelser vores tidligere foreslåede skalering er den mere passende."

Studielederforfatter Chang Hsin Chen tilføjede, at "Vi så også på strukturen af ​​chokket og, gennem højt løste simuleringer, vi var i stand til at forstå, hvordan turbulens skaber huller i stødet. Dette var kun muligt på grund af beregningskraften fra Stampede2. "Chen er postdoktor i National Aerothermochemistry Laboratory ved Texas A&M University. Hans forskning fokuserer på komprimerbar turbulens og stødbølger, og højtydende beregningsvæskedynamik.

Donzis fremhævede, at "Stampede2 tillader os at køre simuleringer, nogle af dem på hidtil uset niveau af realisme, især den lille skala opløsning, som vi har brug for for at studere processer i de meget små skalaer af turbulente strømme. Nogle af disse simuleringer kører på halvdelen af ​​maskinen, eller mere, og nogle gange tager de måneder at køre."

Hvad mere er, forskerne udforskede også de såkaldte chokspring, som er bratte ændringer i tryk og temperatur, når stof bevæger sig hen over et stød. "I denne undersøgelse udviklede og testede vi en ny teoretisk ramme for at forstå, for eksempel, hvorfor et ellers stationært stød begynder at bevæge sig, når den indkommende strøm er turbulent, "Donzis sagde. Dette indebærer, at den indkommende turbulens dybt ændrer chokket." Teorien forudsiger, og simuleringerne på Stampede2 bekræfter, at trykspringene ændrer sig, og hvordan de gør det, når den indgående strøm er turbulent. Dette er en effekt, der faktisk ikke tages højde for i Ribners skelsættende værk, men nu kan vi forstå det kvantitativt, " sagde Donzis.

Det var ikke let at gøre fremskridt med at forstå, hvornår turbulens møder stød. Ekstrem opløsning i størrelsesordenen milliarder af netpunkter er nødvendig for at fange de skarpe gradienter af et chok ved et højt Reynolds -tal. "Selvom vi er begrænset af, hvor meget vi kan skubbe parameterområdet på Stampede2 eller enhver anden computer for den sags skyld, vi har været i stand til at dække et meget stort rum i dette parameterrum, spænder over parameterområder ud over, hvad der er blevet gjort før, "Sagde Donzis.

Input/output (I/O) viste sig også at være udfordrende med at skrive data til disk ved meget store kernetal. "Dette er et tilfælde, hvor vi benyttede os af Extended Collaborative Support Services (ECSS) fra XSEDE, og vi var i stand til at optimere vores strategi, " sagde Donzis. "Vi er nu overbeviste om, at vi kan blive ved med at øge størrelsen af ​​vores simuleringer med den nye strategi og fortsætte med at lave I/O til en rimelig beregningsomkostning."

Donzis er ikke fremmed for XSEDE, som han har brugt i mange år tilbage, da det hed Teragrid, at udvikle sin gruppes koder – begyndende med LeMieux-systemet i Pittsburgh Supercomputing Center; Blue Horizon på San Diego Supercomputer Center; Kraken ved National Institute for Computational Sciences; og nu på Stampede1 og Stampede2 hos TACC.

"En række af de succeser, vi har i dag, skyldes den fortsatte støtte fra XSEDE, og Teragrid, for det videnskabelige samfund. Den forskning, vi er i stand til at lave i dag, og alle succeshistorierne er til dels et resultat af det videnskabelige samfunds og finansieringsbureaueres kontinuerlige engagement i at opretholde en cyberinfrastruktur, der giver os mulighed for at tackle de største videnskabelige og teknologiske udfordringer, vi står over for og muligvis står over for i fremtiden. Dette gælder ikke kun for min gruppe, men måske også for resten af ​​det videnskabelige computermiljø i USA. Jeg tror, ​​at XSEDE -projektet og dets forgængere i denne forstand har været en enorm mulighed, "Sagde Donzis.

Donzis er overbevist om, at fremskridt inden for high performance computing (HPC) direkte omsættes til fordele for hele samfundet. "Enhver indvirkning på HPC vil have konsekvenser for transport, industrielle processer, fremstilling, forsvar, i bund og grund almindelige menneskers hverdag, da det meste af vores liv er fyldt med teknologiske produkter og tjenester, der på et eller andet tidspunkt drager fordel af numeriske beregninger af forskellige skalaer, " sagde Donzis. Og fremskridt i forståelsen af ​​turbulens påvirker en bred vifte af applikationer, han tilføjede.

Donzis sagde:"Fremskridt i forståelsen af ​​chok turbulens interaktioner kan føre til supersonisk og hypersonisk flyvning, at gøre dem til virkelighed for folk at flyve på få timer herfra til Europa; rumudforskning; og endda vores forståelse af strukturen i det observerbare univers. Det kunne hjælpe med at svare hvorfor er vi her? Mere nede på jorden, forståelse af turbulens i komprimerbare strømme kan føre til store forbedringer i forbrændingseffektiviteten, luftmodstandsreduktion og generel transport."