Supercomputere kaster nyt lys over havturbulens

Når en havbølge slår op mod en strand, indeholder den utallige hvirvler og hvirvler. Havvandet danner komplekse mønstre på hvert niveau, fra bølgerne, som surfere fanger, til krusninger, der er for små og hurtige til, at det menneskelige øje kan lægge mærke til det. Hver bevægelse sætter gang i endnu et sæt bevægelser, der fosser gennem lag af vand.

Hvad der blot er naturskønt ved en strand, er vigtigt for videnskabsmænd at forstå. At beskrive mere præcist, hvordan varme bevæger sig gennem havet, kan hjælpe forskerne med at udvikle bedre og mere præcise computermodeller af Jordens klima. At forstå turbulens - den uregelmæssige bevægelse af væsker - i havet ville hjælpe forskere med at løse dette problem.

Forskere ved University of Cambridge og University of Massachusetts Amherst brugte Summit-supercomputeren ved Department of Energy's Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) til at køre en ny model af havturbulens. (OLCF er en DOE Office of Science-brugerfacilitet.) Værket er offentliggjort i Journal of Turbulence .

Computeren simulerede en generisk 10-meter terning af havvand. Selvom dette ikke virker særlig stort, er bare denne lille del af havet utrolig kompleks. For at analysere ændringer ned til centimeter, simulerer programmet terningen af ​​vand på et digitalt gitter. Denne digitale terning bestod af næsten 4 billioner gitterpunkter.

Med modellen analyserede forskerne, hvordan turbulens påvirker varme, der bevæger sig gennem havvand. I det rigtige hav opvarmer solen vand på overfladen. Koldt vand sidder på bunden af ​​havbunden. Varmen spredes gennem de forskellige lag af vand, men det er ikke en række konsekvente eller små ændringer. Vandet er en kombination af relativt stille områder og områder, der blander sig kraftigt en gang imellem. Turbulensens inkonsistens er en af ​​de ting, der gør det så kompliceret.

Denne nye model var den mest detaljerede simulering af disse processer endnu. Tidligere var computere simpelthen ikke kraftfulde nok til at håndtere lag på lag af kompleksitet og fange bevægelsen på en lang række skalaer.

For at håndtere disse begrænsninger kollapsede tidligere modeller alle de handlinger, der skete i forskellige dele af vandet, til en gennemsnitlig måling. Derudover brugte de en lav værdi af et forhold, der er vigtigt for at måle turbulens og spredning af varme i realistiske havstrømme. Men det forvirrede de individuelle ændringer og deres virkninger.

I modsætning hertil brugte den nye model en meget højere værdi af forholdet og viste, hvordan turbulensen opstår under realistiske forhold. Det gjorde det muligt for forskerne at spore den indledende bølge af turbulens og derefter følge den, indtil den forsvandt. Den nye model gav dem også mulighed for at zoome ind i forskellige lag for at undersøge specifikke detaljer.

Dataene fra disse nye simuleringer udfordrer nogle langvarige teorier om turbulens. Tidligere troede forskerne, at kolde og varme væsker blandes ind i hinanden med nogenlunde samme hastighed. Modellen antyder, at de varmere væsker blandes langsommere end momentum fra turbulensen.

Ud over at forbedre klimamodeller kan denne information give indsigt i andre områder, der er påvirket af væskedynamik. Det kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå, hvordan forurening spredes gennem vand eller luft. Det er vigtigt for videnskabsmænd, der arbejder på at hjælpe samfund og økosystemer, der er påvirket af forurening.

Med den endnu mere kraftfulde Frontier-supercomputer, der nu er tilgængelig hos OLCF, håber forskerne på dette projekt at udvide deres forståelse af dette komplekse emne yderligere. Bølgerne i havet er smukke, men det er de data, der hjælper os med at forstå dem også.

Flere oplysninger: James J. Riley et al., The effect of Prandtl number on decaying stratified turbulence, Journal of Turbulence (2023). DOI:10.1080/14685248.2023.2178654

Leveret af det amerikanske energiministerium