I ricercatori dell'esercito hanno progettato un modello al computer che calcola in modo più efficace il comportamento della turbolenza atmosferica in ambienti complessi, comprese le città, foreste, deserti e regioni montuose.

Questa nuova tecnologia potrebbe consentire ai soldati di prevedere prima i modelli meteorologici utilizzando i computer a portata di mano e valutare in modo più efficace le condizioni di volo per i veicoli aerei sul campo di battaglia.

La turbolenza può essere invisibile ad occhio nudo, è sempre presente intorno a noi nell'aria sotto forma di cambiamenti caotici di velocità e pressione.

I tradizionali metodi di fluidodinamica computazionale per analizzare la turbolenza atmosferica trattano il fluido come un continuum, risolvere le equazioni differenziali di Navier-Stokes non lineari coinvolte.

Però, calcolando la turbolenza nello strato limite planetario, lo strato più basso dell'atmosfera, può essere difficile a causa di come la presenza di alberi, edifici alti e altri aspetti del paesaggio influenzano direttamente il suo comportamento.

I metodi TCFD devono tenere conto di tutti gli effetti dei punti vicini che circondano il bersaglio, che crea un immenso carico computazionale che è molto difficile da implementare in modo efficiente su moderne architetture parallele, come acceleratori di unità di elaborazione grafica.

Di conseguenza, questi metodi spesso affrontano sfide quando si confrontano con ambienti più intricati a causa delle limitazioni nel trattamento di confini superficiali complessi.

Nel tentativo di cercare un approccio alternativo, un team di scienziati del laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti guidato dal dottor Yansen Wang si è rivolto al campo della meccanica statistica per le idee.

Quello che trovarono fu il metodo Lattice-Boltzmann, una tecnica utilizzata da fisici e ingegneri per prevedere il comportamento dei fluidi su scala molto piccola.

"Il metodo Lattice-Boltzmann è normalmente utilizzato per prevedere l'evoluzione di un piccolo volume di flussi turbolenti, ma non è mai stato utilizzato per un'area grande come l'atmosfera, " Wang ha detto. "Quando ho letto su di esso in un documento di ricerca, Ho pensato che potesse essere applicato non solo a un piccolo volume di turbolenza, ma anche alla turbolenza atmosferica".

A differenza dei metodi TCFD, l'LBM tratta il fluido come un insieme di particelle anziché un continuum ed è stato ampiamente utilizzato nella simulazione dei fluidi per rappresentare accuratamente la dinamica dei fluidi.

Wang e il suo team hanno determinato che questo nuovo approccio potrebbe modellare accuratamente la turbolenza atmosferica richiedendo molto meno calcolo che se avessero risolto per le equazioni differenziali NS.

Questo cambiamento fondamentale ha essenzialmente permesso loro di ignorare una grossa fetta dei punti vicini sul modello della griglia, tagliando il numero di comportamenti vicini per tenere conto e riducendo significativamente il carico computazionale.

A seguito della loro indagine, i ricercatori hanno utilizzato il metodo Lattice-Boltzmann multi-rilassamento di nuova concezione per creare un modello avanzato di ambiente dello strato di confine atmosferico, che ha trattato specificamente il flusso altamente turbolento in domini complessi e urbani.

Questo segna la prima volta che un modello MRT-LBM avanzato è stato utilizzato per modellare l'atmosfera.

Il modello ABLE-LBM di nuova concezione apre la strada a un approccio altamente versatile alla previsione del flusso dello strato limite atmosferico.

Oltre a fornire una maggiore velocità operativa e un'implementazione più semplice e complessa dei confini, questo approccio è intrinsecamente parallelo e quindi compatibile con le moderne architetture parallele, rendendolo un metodo di modellazione potenzialmente praticabile su piattaforme di calcolo tattico per le forze armate statunitensi.

"Sul campo di battaglia, vuoi dati sulla turbolenza atmosferica rapidamente ma non hai necessariamente supercomputer a portata di mano, "Ha detto Wang. "Tuttavia, hai una moderna architettura di computer con migliaia di processori che rendono il calcolo veloce se l'algoritmo è appropriato. Con ABLE-LBM, puoi usare quelle moderne architetture di computer per calcolare la turbolenza sul campo di battaglia senza doverti connettere a un centro di calcolo ad alte prestazioni."

Lo sviluppo del modello ABLE-LBM ha implicazioni significative su molti altri aspetti delle operazioni dell'esercito oltre alle previsioni meteorologiche.

La turbolenza atmosferica può influenzare significativamente il comportamento delle onde ottiche e acustiche, che hanno un impatto diretto su ciò che i soldati possono vedere e sentire.

Può agire come un fattore importante nella ricognizione e cambiare il percorso che percorre un laser o il modo in cui i suoni vengono emessi da un sistema.

Anche i piccoli sistemi aerei senza equipaggio sono in balia dei vortici di turbolenza, che può verificarsi quando una raffica di vento colpisce un edificio.

Sapere come si comporterà la turbolenza può aiutare le sUAS a evitare collisioni e persino a sfruttare le correnti ascensionali esistenti per volare senza le loro eliche per risparmiare energia.

Potenziali applicazioni si possono trovare anche al di fuori dell'esercito nella vita civile.

Una migliore conoscenza della turbolenza dello strato limite può aiutare nella pianificazione civile sia nella preparazione che nella risposta alle emergenze quando si tratta di fuoriuscite di sostanze chimiche, incendi industriali e altri disastri naturali o provocati dall'uomo.

"Molte persone sono interessate ad applicare questo metodo in vari campi, " Wang ha detto. "Questa tecnica ha aperto un nuovo modo per modellare la turbolenza atmosferica. La nostra ricerca è stata la prima a tracciare la strada per questa nuova direzione, quindi abbiamo molte prove da fare".

I dettagli di questa svolta sono descritti nel documento, "Simulazione di flussi stratificati su una cresta utilizzando un modello reticolare-Boltzmann" di Yansen Wang, Benjamin T. MacCall, Christopher M. Hocut, Xiping Zeng e Harindra J. S. Fernando nel diario Meccanica dei fluidi ambientali .