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            超級計算機幫助科學(xué)家探測漩渦和湍流


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            漩渦似乎深奧的主題。 但其影響并成為頭條新聞,最近爆發(fā)的龍卷風(fēng),漩渦,造成至少80人死亡在2021年12月在美國八個(gè)州。 今天科學(xué)家們還不完全了解渦旋的動(dòng)力學(xué),混亂但相干模式中常見(jiàn)的自然也以颶風(fēng),漩渦流的空氣和水,空氣動(dòng)力阻力,燃料燃燒等等。

            在德克薩斯理工大學(xué)科學(xué)家最近的研究中,超級計算機模擬正在幫助科學(xué)家深入探究漩渦和湍流的神秘特征。他們的研究可能會(huì )有助于提高汽車(chē)的燃油效率,幫助開(kāi)發(fā)節能飛機設計,等等。

            他們的漩渦研究發(fā)表在2022年1月的《流體力學(xué)年鑒》上?!斑@項研究的一個(gè)好處是,我們發(fā)現,當兩個(gè)相反的有符號渦聚集在一起時(shí),它們將重新連接并重新組合,形成兩個(gè)新的渦,剩下的一些未連接部分作為螺紋,可以進(jìn)一步進(jìn)行連續的重新連接?!痹撗芯康闹饕髡?、德克薩斯理工大學(xué)機械工程系博士后研究員姚杰說(shuō)。

            渦旋重聯(lián)

            “我們聲稱(chēng),漩渦重聯(lián)是大多數湍流級聯(lián)、流體混合和空氣動(dòng)力噪聲產(chǎn)生背后的本質(zhì),”該研究的合著(zhù)者、德克薩斯理工大學(xué)校長(cháng)的高級顧問(wèn)、工程、科學(xué)和醫學(xué)特聘主席法茲爾·侯賽因說(shuō)。侯賽因是姚的顧問(wèn),也是機械工程、物理、化學(xué)工程、石油工程、內科、細胞生理學(xué)和分子生物物理學(xué)系的教授。

            侯賽因舉了一個(gè)例子,說(shuō)明飛機的兩條尾跡中存在渦旋重聯(lián)。在適當的大氣條件下,旋轉的雙尾隨渦重新連接成渦環(huán),從而形成湍流。

            侯賽因說(shuō):“當漩渦重新連接時(shí),它們會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)大結構加上許多小規模結構?!??!白畛?,你在實(shí)驗室的可視化中看到一些煙霧。但當兩個(gè)漩渦被拉扯并分開(kāi)時(shí),它們會(huì )拉扯這些線(xiàn),最終消散。這些細節只有通過(guò)超級計算機的數值模擬才能得到?!?/span>

            求解渦旋方程的超級計算機

            為審查研究,姚和侯賽因被授予超級計算機訪(fǎng)問(wèn)德克薩斯先進(jìn)計算中心的StaveCube系統,由國家科學(xué)基金(NSF)資助的極端科學(xué)和工程發(fā)現環(huán)境XSEDE。此外,他們還利用了XSEDE的擴展協(xié)作支持服務(wù)(ECSS)項目,該項目為研究人員提供了充分利用超級計算機時(shí)間的專(zhuān)業(yè)知識。

            姚說(shuō):“圣地亞哥超級計算機中心的Manu Shantaram通過(guò)XSEDE ECSS幫助我們分析代碼。我們與他進(jìn)行了良好的聯(lián)系和討論,他在分析代碼和發(fā)現問(wèn)題方面做得很好,這提高了代碼的性能?!?。

            “我們從XSEDE項目中受益匪淺,從TACC中受益更多,TACC的工作人員幫助我們解決技術(shù)問(wèn)題和問(wèn)題,”姚補充道?!癟ACC為我們提供的不僅僅是Stampede2。除了新的Lonestar6,TACC還授予我們訪(fǎng)問(wèn)Frontera和Lonestar5系統的權限?!?/span>

            姚和侯賽因在德克薩斯理工大學(xué)高性能計算中心(HPCC)利用了XSEDE、TACC及其本地集群的強大超級計算能力?;旧暇褪且釴avier-Stokes方程,它描述了空氣、水等流體的運動(dòng)。他們的直接數值模擬已經(jīng)產(chǎn)生了高度時(shí)間和空間分辨率、精確的測量分布,如速度、渦度或流體旋轉、擬能性——一個(gè)與渦的能量耗散、螺旋度、溫度和標量濃度有關(guān)的術(shù)語(yǔ)。

            峰值渦度和擬能性的增長(cháng)都解決了一個(gè)非?;镜臄祵W(xué)問(wèn)題,這與克萊數學(xué)研究所提出的一個(gè)百萬(wàn)美元的問(wèn)題有關(guān),該研究所已承諾為正確解決幾個(gè)千年獎問(wèn)題中的一個(gè)問(wèn)題提供資金。

            這個(gè)問(wèn)題與Navier-Stokes方程的有限時(shí)間奇點(diǎn)(FTS)的形成有關(guān),這個(gè)問(wèn)題可以表述為,在給定有限動(dòng)能的初始瞬時(shí)光滑速度場(chǎng)時(shí),在不可壓縮Navier-Stokes方程的控制下,場(chǎng)的奇異性在有限時(shí)間內出現。


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