Turbulensmodel kan hjælpe med at designe fly, der er i stand til at håndtere ekstreme scenarier

I 2018, passagerer ombord på en flyvning til Australien oplevede et frygtindgydende 10-sekunders nosedive, da en hvirvel, der fulgte med deres fly, krydsede i kølvandet på en anden flyvning. Kollisionen mellem disse hvirvler, mistænkte flyselskabet, skabt voldsom turbulens, der førte til et frit fald.

For at hjælpe med at designe fly, der bedre kan manøvrere i ekstreme situationer, Forskere fra Purdue University har udviklet en modelleringsmetode, der simulerer hele processen med en hvirvelkollision på et reduceret beregningstidspunkt. Denne fysikviden kunne derefter indarbejdes i tekniske designkoder, så flyet reagerer hensigtsmæssigt.

Simuleringerne, som flydesignere i øjeblikket bruger, fanger kun en del af vortex -kollisionshændelser og kræver omfattende databehandling på en supercomputer. Ikke at kunne simulere alt, hvad der sker, når hvirvler kolliderer, har begrænsede flydesign.

Med mere realistiske og komplette simuleringer, ingeniører kunne designe fly såsom kampfly, der er i stand til mere abrupte manøvrer eller helikoptere, der kan lande mere sikkert på hangarskibe, sagde forskerne.

Maskiningeniørprofessor Carlo Scalo og hans forskerhold bruger supercomputere til at udvikle modeller, der effektivt simulerer hvirvelstrømningsfænomener.

"Fly under ekstreme forhold kan ikke stole på simpel modellering, "sagde Carlo Scalo, en Purdue -lektor i maskinteknik med en høflighedsaftale inden for luftfart og astronautik.

"Bare for at fejlfinde nogle af disse beregninger kan det tage at køre dem på tusind processorer i en måned. Du har brug for hurtigere beregning for at lave flydesign."

Ingeniører ville stadig have brug for en supercomputer til at køre modellen, som Scalos team udviklede, men de ville kunne simulere en hvirvelkollision i cirka en tiendedel til en hundrededel af tiden ved hjælp af langt færre beregningsressourcer end dem, der typisk kræves til store beregninger.

Forskerne kalder modellen en "Coherent-vorticity-Preserving (CvP) Large-Eddy Simulation (LES)." Den fireårige udvikling af denne model er opsummeret i et papir offentliggjort i Journal of Fluid Mechanics .

"CvP-LES-modellen er i stand til at fange super kompleks fysik uden at skulle vente en måned på en supercomputer, fordi den allerede indeholder viden om den fysik, som ekstreme beregninger skulle omhyggeligt reproducere, "Sagde Scalo.

Tidligere postdoktor i Purdue, Jean-Baptiste Chapelier, ledede den toårige proces med at bygge modellen. Xinran Zhao, en anden postdoktor i Purdue om projektet, gennemført kompleks, store beregninger for at bevise, at modellen er præcis. Disse beregninger tillod forskerne at oprette en mere detaljeret repræsentation af problemet, bruger mere end en milliard point. Til sammenligning, et 4K ultra high definition TV bruger cirka 8 millioner punkter til at vise et billede.

Bygger ud af dette grundarbejde, forskerne anvendte CvP-LES-modellen til kollisionsbegivenhederne mellem to hvirvelrør kaldet trefoil knyttede hvirvler, der vides at spore vingerne på et fly og "danse", når de genopretter forbindelse.

Denne dans er ekstremt vanskelig at fange.

"Når hvirvler støder sammen, der er et sammenstød, der skaber en masse turbulens. Det er meget svært beregningsmæssigt at simulere, fordi du har en intens lokaliseret begivenhed, der sker mellem to strukturer, der ser temmelig uskyldige og begivenhedsløse ud, indtil de kolliderer, "Sagde Scalo.

Brug af den brune supercomputer på Purdue til mellemstore beregninger og forsvarsministeriets faciliteter til store beregninger, teamet behandlede data om de tusindvis af begivenheder, der finder sted, når disse hvirvler danser og indbyggede den fysiske viden i modellen. De brugte derefter deres turbulensmodel til at simulere hele kollisionsdansen.

Ingeniører kunne simpelthen køre den færdige model for at simulere hvirvler over længere tid for bedst at ligne det, der sker omkring et fly, Sagde Scalo. Fysikere kunne også skrumpe modellen ned for væskedynamiske eksperimenter.

"Det, der virkelig er smart ved Dr. Scalos tilgang, er, at den bruger oplysninger om flowfysikken til at bestemme den bedste taktik til beregning af flowfysikken, "sagde Matthew Munson, programchef for Fluid Dynamics ved Army Research Office, et element i US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

"Det er en smart strategi, fordi den gør løsningsmetoden gældende for en bredere vifte af regimer end mange andre tilgange. Der er et enormt potentiale for, at dette kan have en reel indflydelse på designet af køretøjsplatforme og våbensystemer, der gør det muligt for vores soldater at lykkes udføre deres missioner. "

Scalos team vil bruge Purdues nyeste community -klynge -supercomputer, Klokke, at fortsætte sin undersøgelse af komplekse virvelstrømme. Teamet arbejder også sammen med forsvarsministeriet for at anvende CvP-LES-modellen på store testcases vedrørende rotorfartøjer såsom helikoptere.

"Hvis du er i stand til nøjagtigt at simulere de tusindvis af hændelser i flow som dem, der kommer fra et helikopterblad, du kunne konstruere meget mere komplekse systemer, "Sagde Scalo.