Quando pensi alla turbolenza, potresti pensare a un viaggio in aereo accidentato. Turbolenza, però, è molto più onnipresente nelle nostre vite del semplice viaggio aereo. Onde oceaniche, fumo dal fuoco, anche il rumore proveniente dai motori a reazione o dalle turbine eoliche è tutto correlato alla turbolenza.

Un team di ricercatori dell'Istituto di aerodinamica (AIA) della RWTH Aachen University è da tempo interessato all'uso del calcolo per comprendere la turbolenza, uno dei misteri più impegnativi della fluidodinamica, e come si relaziona al rumore degli aerei, efficienza del carburante, o il trasporto di inquinanti, tra gli altri interessi di ricerca.

Il team ha utilizzato il supercomputer Cray XC40 Hazel Hen presso l'High-Performance Computing Center di Stoccarda per studiare i flussi turbolenti multifase, il movimento di due materiali in stati diversi (come solidi e liquidi) o materiali nello stesso stato che, per ragioni chimiche, non può mescolare (come olio e acqua). Il team sta anche lavorando per migliorare l'accuratezza delle simulazioni di turbolenza su computer più modesti.

Recentemente, il team ha pubblicato un documento nel Journal of Fluid Mechanics dettagliando la sua tabella di marcia verso una migliore modellazione dei flussi turbolenti multifase. Il lavoro supporta gli obiettivi interdisciplinari più ampi del team. "Questo progetto fa parte di un'unità di ricerca più grande in cui studiamo come rendere le centrali a carbone più rispettose dell'ambiente per quanto riguarda le loro emissioni di CO2, " ha detto il ricercatore RWTH Dr. Matthias Meinke.

Durante la combustione, i gas si mescolano con minuscoli, particolato solido, il che significa che le simulazioni realistiche possono contenere miliardi di questi complessi, interazioni multifase. Per affrontare il gigantesco costo computazionale associato a calcoli così enormi, molti ricercatori usano solo modelli per il movimento delle particelle in un flusso, abbassando il costo computazionale semplificando la simulazione. Però, queste semplificazioni possono anche danneggiare la precisione e, a sua volta, il potere predittivo delle simulazioni.

Il team di RWTH Aachen vuole migliorare i suoi modelli computazionali per tenere conto delle piccole interazioni che hanno un grande impatto sui flussi turbolenti. "Volevamo trovare un metodo più dettagliato necessario per comprendere questi flussi carichi di particelle quando le particelle sono estremamente piccole, " ha affermato il Prof. Dr. Wolfgang Schröder, Direttore AIA e collaboratore al progetto del team. "Queste particelle in realtà definiscono l'efficienza dell'intero processo di combustione, e questo è il nostro obiettivo generale perché, dal punto di vista ingegneristico, vogliamo rendere più accurati i modelli che descrivono questi tipi di processi."

Ridimensionare ridimensionando

Essenzialmente, la turbolenza si verifica quando un flusso diventa troppo eccitato. siano liquidi o gas, tutti i fluidi hanno una qualche forma di viscosità, che aiuta a racchiudere l'energia cinetica (energia di movimento) in un flusso. Se l'energia in un flusso è alta, e il fluido non è denso, o viscoso, abbastanza per dissipare l'energia, il movimento va da molto ordinato (flusso laminare) a caotico (flusso turbolento). Questo caos viene tramandato da scale più grandi a scale più piccole fino a quando la viscosità del fluido riprende il controllo del flusso trasformando l'energia cinetica in calore.

La scala più piccola, in cui l'energia cinetica viene trasformata in calore e la viscosità riprende il controllo del flusso, è chiamata scala di Kolmogorov.

Il team voleva calcolare il flusso turbolento fino alla scala di Kolmogorov con il metodo fluidodinamico più accurato possibile.

Molti ricercatori che studiano problemi di fluidodinamica legati alla turbolenza utilizzano le simulazioni Large-Eddy (LES) per ridurre il costo computazionale facendo determinate ipotesi su ciò che accade alle scale più piccole. Però, il modo più realistico per calcolare i processi turbolenti è utilizzare le simulazioni numeriche dirette (DNS). Il DNS consente ai ricercatori di non fare ipotesi su scale più piccole, il che significa che la precisione è migliorata, ma il costo computazionale è maggiore.

Usando Hazel Hen, il team è stato in grado di eseguire una simulazione DNS su un sistema di 45, 000 particelle con una dimensione della scala di Kolmogorov. A conoscenza della squadra, questa è la più grande simulazione di particelle su questa scala fino ad oggi, e funge da punto di riferimento per il modo in cui altri ricercatori che studiano questo processo possono ottenere risultati di simulazione più realistici. Per avere il "meglio dei due mondi" in relazione alle particelle alla scala di Kolmogorov e alle simulazioni DNS, il team doveva assolutamente avere un supercomputer di prim'ordine e un supporto di prim'ordine.

"Considerato il risultato finale, non sarebbe stato possibile fare questo tipo di ricerca - eseguire i calcoli e fare l'analisi - senza Hazel Hen. Senza questa macchina, non ci sarebbe modo di competere con altri gruppi di ricerca internazionali in questo settore, " ha detto Schroder.

"È difficile far funzionare tutto come dovrebbe essere, soprattutto su piattaforme così grandi, " Ha detto Meinke. "Se vogliamo fare la post-elaborazione, abbiamo bisogno di specializzazione. Testiamo costantemente nuovi file system paralleli, perché la riscrittura dei dati sul disco è un grosso collo di bottiglia. Per tutte queste cose, siamo costantemente in contatto e riceviamo un prezioso supporto dallo staff di HLRS."

Precisione per tutti

Con il successo del suo DNS su larga scala eseguito su uno dei supercomputer più veloci del mondo, il team sta ora rivolgendo la sua attenzione al miglioramento dell'accuratezza delle simulazioni di turbolenza per i ricercatori che potrebbero non avere accesso ai supercomputer.

Il team sta iniziando a lavorare su metodi per integrare i dati ricevuti dalle sue simulazioni DNS in più semplici, metodi meno intensivi di calcolo. Ciò non solo consentirà al team di eseguire più simulazioni, consentirà simulazioni molto più grandi che possono essere eseguite con un grado di precisione più elevato.

Ciò non andrà solo a vantaggio dei ricercatori, ma anche dell'industria. "Dobbiamo verificare i nostri modelli semplificati in modo che siano validi, e questo è importante per le persone che progettano centrali elettriche a carbone. Devono usare tali modelli, altrimenti non possono prevedere con precisione l'intero processo, " Ha detto Meinke. Questi modelli convalidati consentiranno ai ricercatori di prevedere l'intero processo in modo più accurato.

Poiché il Gauss Center for Supercomputing fornisce i suoi sistemi di nuova generazione a HLRS e ai suoi centri partner presso il Jülich Supercomputing Center e il Leibniz Supercomputing Center, Garching vicino a Monaco di Baviera, Schröder e Meinke sono entusiasti di immergersi in simulazioni ancora più complesse.

"Nel nostro giornale, consideriamo solo particelle sferiche, " ha detto Schröder. "Ci sono altre particelle con una forma più aghiforme con filamenti sottili, e questi sono necessari per simulare. Dobbiamo elaborare un modello migliore e generalizzare la nostra analisi in modo tale da poter fornire un modello che possa essere utilizzato da altri gruppi".