La frontiera dell'aviazione è supersonica. I militari cercano aerei sempre più veloci, aerei che possono volare cinque volte la velocità del suono. Quindici anni dopo l'ultimo volo transatlantico del Concorde, Japan Airlines e Virgin Group stanno investendo in jet che potrebbero ridurre di oltre la metà i tempi di viaggio all'estero.

Ma le velocità supersoniche comportano una sfilza di sfide progettuali. Per una cosa, modelli di flusso d'aria instabili possono generare onde d'urto dannose per il pannello dell'aeromobile. Gli ingegneri devono mettere la sicurezza al primo posto, ma vogliono anche mantenere le strutture il più leggere possibile per mantenere un'efficienza energetica che riduca i costi del carburante.

I ricercatori sperano di capire cosa causa questi flussi irregolari modellando strategie per prevenirli o eliminarli. "Fino agli ultimi anni non è stato possibile simulare davvero questo tipo di instabilità perché ci mancava la potenza di calcolo, "dice Jonathan Poggie, professore associato presso la School of Aeronautics and Astronautics della Purdue University.

Ma con il supporto del programma INCITE del Dipartimento dell'Energia (DOE) (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), Poggie e i suoi collaboratori dell'Air Force Research Laboratory hanno affrontato questi sistemi turbolenti. La loro allocazione INCITE include 200 milioni di ore di processore sul supercomputer Mira IBM Blue Gene/Q presso l'Argonne Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Mentre un'ala di aeroplano si muove attraverso l'atmosfera, i gas fluiscono intorno ad esso. Quando il movimento dell'aria è regolare attorno ai contorni dell'aereo, si chiama flusso attaccato. La resistenza è bassa, note di Poggie, e l'imbarcazione è facile da controllare.

Ma gli aerei possono subire un flusso separato, soprattutto a velocità supersoniche. Questo accade quando l'aria in movimento lungo la superficie si stacca e forma un vortice, un complicato, modello di flusso tridimensionale instabile. Queste fluttuazioni a volte si verificano a una bassa frequenza che può risuonare con i pannelli degli aerei. Le velocità supersoniche possono generare onde d'urto che colpiscono ripetutamente la struttura di un aeroplano. "C'è un problema molto serio quando si ottiene questo tipo di separazione in quanto provoca incredibili fluttuazioni di flusso, "dice Poggi.

Il problema non riguarda solo i jet militari più veloci. Il flusso supersonico può formarsi anche intorno a un jet commerciale, come un 747 che vola all'85 percento della velocità del suono. "Vorremmo essere in grado di prevederlo, controllarlo e migliorare la situazione sugli aerei, "dice Poggi.

Come altri problemi di fluidodinamica, l'instabilità della separazione presenta grandi sfide computazionali. Minuscoli vortici turbolenti potrebbero misurare frazioni di millimetro e durare solo millesimi di secondo, mentre le strutture di flusso delle dimensioni di un aereo - fino a 10 metri - potrebbero durare un secondo o più. "Per catturare completamente la turbolenza, "Poggie dice, "dobbiamo catturare entrambe le scale."

All'aumentare delle proporzioni, cresce anche l'intensità di calcolo. Il calcolo della turbolenza su un banco da laboratorio potrebbe richiedere solo un computer desktop. Passa a un 747, Poggie dice, e fino a poco tempo fa era impossibile risolvere tutte le scale.

Con la loro assegnazione INCITE, Poggie e il suo team inizialmente hanno modellato un classico caso di separazione, utilizzando una struttura a rampa con una pendenza moderata e un'area simile a un lembo d'ala. La simulazione ha offerto un confronto con gli esperimenti in galleria del vento che testano i flussi attorno all'ala di un aeroplano.

Per affrontare il problema, il team ha dovuto prima ottimizzare gli algoritmi per gestire in modo efficiente grandi quantità di informazioni in parallelo su più processori. "Avevamo a che fare con terabyte di dati anziché gigabyte, "dice Poggi.

Con il nuovo codice, lo studente laureato Kevin Porter ha potuto esaminare il flusso mentre si muoveva la bolla di separazione. Le simulazioni hanno rivelato modelli che si verificano appena prima della separazione. L'instabilità a bassa frequenza - con caratteristiche all'incirca delle stesse dimensioni del velivolo - era collegata a eventi relativi al flusso in arrivo. Ora abbiamo un indizio sul motivo per cui si verifica l'instabilità a bassa frequenza, dice Poggie. Quella conoscenza potrebbe consentire loro di controllare il comportamento.

Ma si resero conto che anche la rampa semplificata era fuorviante, anche nelle prove. Una galleria del vento ha i lati, note di Poggie, e si formano vortici negli angoli. I ricercatori si erano chiesti se quei vortici fossero importanti; sembrano esserlo.

Un tale vortice può rallentare il flusso, anche a velocità subsoniche. Il superamento di quella soglia critica altera il movimento dell'onda sonora. A velocità supersoniche, le onde sonore scorrono solo a valle, ma il suono subsonico può viaggiare a monte oa valle. Tale situazione crea anche disturbi e instabilità nel flusso.

I ricercatori hanno sviluppato due modelli di come la turbolenza interagisce con l'instabilità della separazione, dice Poggie. In uno scenario il flusso stesso può essere un oscillatore, eccitato da fluttuazioni che crescono. In un altro scenario, il flusso amplifica le fluttuazioni costanti in entrata ma non può oscillare da solo. "Si scopre che negli ultimi anni abbiamo scoperto che c'è una combinazione di questi due effetti, "dice Poggi.

Il loro lavoro ora sta prendendo in giro quando ogni singola situazione è importante, che sarà fondamentale per controllare questi disturbi. Per gli amplificatori, aggiungere disturbi non farebbe altro che peggiorare la situazione, dice Poggie. Ma con gli oscillatori, potrebbero incorporare attuatori o array di attuatori per contrastare i flussi che eccitano il disturbo.

Il gruppo prevede di modellare anche i flussi di separazione attorno a una forma più complessa:una pinna che imita la coda di un aeroplano, lui dice. "Un calcolo delle pinne ci darà un flusso contrastante che avrà un comportamento leggermente diverso".