Rekord-breaking simuleringer af turbulens mindste strukturer

Når du hælder fløde i en kop kaffe, den tyktflydende væske synes dovent at sprede sig gennem koppen. Tag en blandeske eller et sugerør til koppen, selvom, og cremen og kaffen ser ud til hurtigt og problemfrit at kombineres til en lysere farve og, i hvert fald for nogle, en mere behagelig drik.

Videnskaben bag denne relativt simple anekdote taler faktisk til en større sandhed om kompleks væskedynamik og understøtter mange af de fremskridt, der er gjort inden for transport, elproduktion, og andre teknologier siden den industrielle æra - de tilsyneladende tilfældige kaotiske bevægelser kendt som turbulens spiller en afgørende rolle i kemiske og industrielle processer, der er afhængige af effektiv blanding af forskellige væsker.

Mens forskere længe har studeret turbulente væskestrømme, deres iboende kaotiske natur har forhindret forskere i at udvikle en udtømmende liste over pålidelige "regler, " eller universelle modeller til nøjagtigt at beskrive og forudsige turbulens. Denne høje udfordring har efterladt turbulens som en af ​​de sidste store uløste "store udfordringer" i fysik.

I de seneste år, high-performance computing (HPC) ressourcer har spillet en stadig vigtigere rolle i at få indsigt i, hvordan turbulens påvirker væsker under en række forskellige omstændigheder. For nylig, forskere fra RWTH Aachen University og CORIA (CNRS UMR 6614) forskningsfacilitet i Frankrig har brugt HPC-ressourcer på Jülich Supercomputing Center (JSC), et af de tre HPC-centre, der omfatter Gauss Center for Supercomputing (GCS), at køre direkte numeriske simuleringer i høj opløsning (DNS) af turbulente opsætninger inklusive jetflammer. Selvom det er ekstremt beregningsmæssigt dyrt, DNS af turbulens giver forskere mulighed for at udvikle bedre modeller til at køre på mere beskedne computerressourcer, der kan hjælpe akademiske eller industrielle forskere ved at bruge turbulensens virkninger på en given væskestrøm.

"Målet med vores forskning er i sidste ende at forbedre disse modeller, specifikt i forbindelse med forbrændings- og blandingsapplikationer, " sagde Dr. Michael Gauding, CORIA-forsker og forsker på projektet. Holdets seneste arbejde blev netop udnævnt til det fornemme papir fra "Turbulent Flames" kollokviet, hvilket skete som en del af det 38. internationale symposium om forbrænding.

Starter og stopper

På trods af det tilsyneladende tilfældigt, kaotiske egenskaber, forskere har identificeret nogle vigtige egenskaber, der er universelle, eller i det mindste meget almindelig, for turbulens under specifikke forhold. Forskere, der studerer, hvordan brændstof og luft blandes i en forbrændingsreaktion, for eksempel, stole på turbulens for at sikre en høj blandingseffektivitet. Meget af den vigtige turbulente bevægelse kan stamme fra, hvad der sker i et tyndt område nær kanten af ​​flammen, hvor dens kaotiske bevægelser kolliderer med de mere jævnt strømmende væsker omkring den. Dette område, den turbulente-ikke-turbulente grænseflade (TNTI), har store implikationer for forståelsen af ​​turbulent blanding.

Mens de kører deres DNS-beregninger, Gauding og hans samarbejdspartner, Mathis Bode fra RWTH Aachen, satte sig for at fokusere specifikt på dette nogle af de mere subtile, mere komplekse fænomener, der finder sted på TNTI.

Specifikt, forskerne ønskede bedre at forstå de sjældne, men kraftige fluktuationer kaldet "intermittens" - en uregelmæssig proces, der sker lokalt, men med meget høj amplitude. I turbulente flammer, intermittens øger blandings- og forbrændingseffektiviteten, men for meget kan også slukke flammen. Forskere skelner mellem intern intermittens, som forekommer i de mindste skalaer og er et karakteristisk træk ved enhver fuldt udviklet turbulent strømning, og ekstern intermittens, som manifesterer sig ved kanten af ​​flammen og afhænger af strukturen af ​​TNTI.

Selv ved at bruge HPC-ressourcer i verdensklasse, at køre store DNS-simuleringer af turbulens er beregningsmæssigt dyrt, da forskere ikke kan bruge antagelser om væskebevægelsen, men løs hellere de styrende ligninger for alle relevante skalaer i et givet system - og skalaområdet øges med turbulensens "styrke" som magtlov. Selv blandt forskere med adgang til HPC-ressourcer, simuleringer mangler ofte den nødvendige opløsning til fuldt ud at løse intermittens, som forekommer i tynde afgrænsede lag.

For Bode og Gauding, Det er meningen at forstå den lille turbulens, der sker ved flammens tynde grænse. "Vores simuleringer er meget opløste og er interesserede i disse tynde lag, " sagde Bode. "For produktionskørsler, simuleringsopløsningen er væsentligt højere sammenlignet med lignende DNS-simuleringer for præcist at løse de stærke bursts, der er forbundet med intermittens."

Forskerne var i stand til at bruge supercomputerne JUQUEEN, JURECA, og JUWELS på JSC for at bygge en omfattende database over turbulenssimuleringer. For eksempel, en simulering blev kørt i flere dage på det fulde JUQUEEN-modul, beskæftiger alle 458, 752 computerkerner under centrets "Big Week" i 2019, simulerer et jetflow med omkring 230 milliarder grid-punkter.

Blanding og matching

Med en bedre forståelse af den rolle, intermittens spiller, holdet tager data fra deres DNS-kørsler og bruger dem til at forbedre mindre beregningskrævende store hvirvelsimulationer (LES). Selvom det stadig er helt præcist for en række forskellige forskningsmål, LES er et sted mellem en ab initio-simulering, der begynder uden nogen antagelser, og en model, der allerede har indfundet visse regler om, hvordan væsker vil opføre sig.

At studere turbulente jetflammer har konsekvenser for en række ingeniørmæssige mål, fra rumfartsteknologier til kraftværker. Mens mange forskere, der studerer væskedynamik, har adgang til HPC-ressourcer som dem på JSC, andre gør ikke. LES-modeller kan ofte køre på mere beskedne computerressourcer, og teamet kan bruge deres DNS-data til at hjælpe med at informere disse LES-modeller bedre, gør mindre beregningskrævende simuleringer mere nøjagtige. "Generelt, nuværende LES-modeller er ikke i stand til nøjagtigt at redegøre for disse fænomener i nærheden af ​​TNTI, sagde Gauding.

Holdet var i stand til at skalere sin applikation til at drage fuld fordel af JSCs computerressourcer delvist ved regelmæssigt at deltage i træningsarrangementer og workshops afholdt på JSC. På trods af allerede at kunne udnytte store mængder HPC-kraft, selvom, holdet erkender, at denne videnskabelige udfordring er kompleks nok til, at selv næste generations HPC-systemer er i stand til at nå en ydeevne i overstørrelse – lidt mere end dobbelt så hurtigt som nutidens hurtigste supercomputer, Fugaku-supercomputeren på RIKEN i Japan – er muligvis ikke i stand til fuldt ud at simulere denne turbulente dynamik. Imidlertid, hver beregningsmæssig fremgang giver holdet mulighed for at øge frihedsgrader og inkludere yderligere fysik i deres simuleringer. Forskerne ser også på at bruge mere datadrevne tilgange til at inkludere intermittens i simuleringer, samt at forbedre, udvikle, og validering af modeller baseret på teamets DNS-data.