Genovervejelse af et århundrede med væskestrømme

I 1922, Den engelske meteorolog Lewis Fry Richardson offentliggjorde Weather Prediction by Numerical Analysis. Dette indflydelsesrige arbejde omfattede et par sider afsat til en fænomenologisk model, der beskrev den måde, hvorpå flere væsker (gasser og væsker) strømmer gennem et porøst-medium system, og hvordan modellen kan bruges i vejrforudsigelser.

Siden da, forskere har fortsat med at bygge videre på og udvide Richardsons model, og dens principper er blevet brugt inden for områder som olie- og miljøteknik, hydrologi, og jordvidenskab.

Cass Miller og William Gray, professorer ved University of North Carolina i Chapel Hill, er to sådanne forskere, der arbejder sammen om at udvikle en mere komplet og præcis metode til væskestrømsmodellering.

Gennem en US Department of Energy (DOE) INCITE -pris, Miller og hans team har fået adgang til IBM AC922 Summit -supercomputeren på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility placeret på DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL). 200-petaflop-maskinens store kraft betyder, at Miller kan nærme sig emnet for to-væskestrømme (blandinger af væsker eller gasser) på en måde, der ville have været utænkelig på Richardsons tid.

At bryde traditionen

Millers arbejde fokuserer på den måde, hvorpå to-væske strømmer gennem porøse medier (sten eller træ, for eksempel) beregnes og modelleres. Talrige faktorer påvirker bevægelsen af ​​væsker gennem porøse medier, men af ​​forskellige årsager, ikke alle beregningsmetoder overvejer dem. Generelt, de grundlæggende fænomener, der påvirker transporten af ​​disse væsker-såsom overførsel af masse og momentum-er godt forstået af forskere i lille skala og kan beregnes nøjagtigt.

"Hvis du ser på et porøst mediesystem i mindre skala, "Sagde Miller, "en kontinuumskala, hvor man siger, for eksempel, et punkt eksisterer helt inden for en væskefase eller inden for en fast fase, vi forstår transportfænomener i den skala relativt godt - vi kalder det mikroskalaen. Desværre, vi kan ikke løse særlig mange problemer i mikroskalaen. Så snart du begynder at tænke på, hvor de faste partikler er, og hvor hver væske er, det bliver beregningsmæssigt og pragmatisk overvældende at beskrive et system i den skala. "

For at løse dette skalaproblem, forskere har traditionelt henvendt sig til de fleste praktiske væskestrømproblemer i makroskalaen, en skala, hvor beregning bliver mere gennemførlig. Fordi mange virkelige applikationer kræver svar på flere problemer med væskestrøm, forskere har måttet ofre visse detaljer i deres modeller med henblik på tilgængelige løsninger. Yderligere, Richardsons fænomenologiske model blev nedskrevet uden formel afledning i større skala, betyder, at grundlæggende mikroskala fysik, for eksempel, er ikke udtrykkeligt repræsenteret i traditionelle makroskala modeller.

På Richardsons tid, disse mangler var fornuftige. Uden moderne beregningsmetoder, at koble mikroskala fysik til en storstilet model var en næsten utænkelig opgave. Men nu, med hjælp fra den hurtigste supercomputer i verden til åben videnskab, Miller og hans team bygger bro mellem skellet mellem mikroskala og makroskala. For at gøre det, de har udviklet en tilgang kendt som Thermodynamically Constrained Averaging Theory (TCAT).

"Ideen med TCAT er at overvinde disse begrænsninger, "Sagde Miller." Kan vi på en eller anden måde starte fra fysik, der er godt eller bedre forstået, og komme til modeller, der beskriver fysikken for de systemer, vi er interesserede i i makroskalaen? "

TCAT -tilgangen

Fysik i mikroskala giver et grundlæggende grundlag for at repræsentere transportfænomener gennem porøse mediesystemer. At løse problemer, der er af interesse for samfundet, imidlertid, Millers team havde brug for at finde en måde at oversætte disse første principper til store matematiske modeller.

"Ideen bag TCAT -modellen er, at vi starter fra mikroskalaen, "Sagde Miller, "og vi tager den fysik i mindre skala, som inkluderer termodynamik og bevaringsprincipper, og vi flytter alt det op til større skala på en streng matematisk måde, hvor, af nødvendighed, vi er nødt til at anvende disse modeller.

Millers team bruger Summit til at forstå den detaljerede fysik, der virker i mikroskalaen, og bruger resultaterne til at hjælpe med at validere TCAT -modellen.

"Vi vil evaluere denne nye teori ved at trække den fra hinanden og se på individuelle mekanismer og ved at se på større systemer og den overordnede model, "Sagde Miller." Den måde, vi gør det på, er beregning i lille skala. Vi laver rutinemæssigt simuleringer på gitter, der kan have op til milliarder af placeringer, mere end hundrede milliarder gittersteder i nogle tilfælde. Det betyder, at vi præcist kan løse fysikken i en forfinet skala for systemer, der er tilstrækkeligt store til at tilfredsstille vores ønske om at evaluere og validere disse modeller.

"Summit giver en unik ressource, der sætter os i stand til at udføre disse meget opløste mikroskalsimuleringer for at evaluere og validere denne spændende nye klasse af modeller, " han tilføjede.

Mark Berrill fra OLCF's Scientific Computing Group samarbejdede med teamet for at muliggøre analyse af højopløselige mikroskalsimuleringer.

For at fortsætte arbejdet, Miller og hans team har fået yderligere 340, 000 nodetimer på topmødet gennem INCITE -programmet i 2020.

"Mens vi har teorien udarbejdet for, hvordan vi kan modellere disse systemer i større skala, vi arbejder gennem INCITE for at evaluere og validere den teori og i sidste ende reducere den til en rutinemæssig praksis, der gavner samfundet, "Sagde Miller.