È stato sviluppato e testato un nuovo quadro teorico utilizzando il supercomputer Stampede2 per comprendere i salti turbolenti delle quantità termodinamiche medie, struttura d'urto e fattori di amplificazione. La turbolenza arriva da sinistra in questa immagine, colpire lo shock, e lasciando il dominio da destra. Questa immagine tridimensionale mostra la struttura dell'enstrofia e colorata dal numero di Mach locale con lo shock in grigio. Credito:Chang-Hsin Chen, TAMU.
Questo può essere uno shock, se ti muovi abbastanza velocemente. Lo shock sono le onde d'urto. Il "pop" di un pallone è un'onda d'urto generata da pezzi esplosi del pallone che si muovono più velocemente della velocità del suono. Gli aerei supersonici generano un boom sonoro molto più forte, ' anche dalle onde d'urto. Più lontano nel cosmo, una stella che collassa genera onde d'urto da particelle che corrono vicine alla velocità della luce mentre la stella diventa supernova. Gli scienziati stanno usando i supercomputer per ottenere una migliore comprensione dei flussi turbolenti che interagiscono con le onde d'urto. Questa comprensione potrebbe aiutare a sviluppare velivoli supersonici e ipersonici, accensione del motore più efficiente, oltre a sondare i misteri delle esplosioni di supernova, formazione stellare, e altro ancora.
"Abbiamo proposto una serie di nuovi modi in cui è possibile comprendere le interazioni tra turbolenze d'urto, " disse Diego Donzis, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale della Texas A&M University. Donzis è co-autore dello studio, "Interazioni shock-turbolenza ad alta intensità di turbolenza, " pubblicato maggio del 2019 nel Journal of Fluid Mechanics . "Abbiamo proposto che, invece di trattare lo shock come una discontinuità, bisogna tener conto del suo spessore finito come nella vita reale che può essere coinvolto come parametro di governo in, Per esempio, fattori di amplificazione, " ha detto Donzi.
Il quadro teorico dominante per le interazioni tra turbolenze d'urto risale agli anni '50, sviluppato da Herbert Ribner mentre era all'Università di Toronto, Ontario. Il suo lavoro ha supportato la comprensione delle interazioni di turbolenza e urti con un lineare, teoria viscosa, che presuppone che lo shock sia una vera discontinuità. L'intero problema può quindi essere ridotto a qualcosa di trattabile matematicamente, dove i risultati dipendono solo dal numero di Mach dello shock, il rapporto tra la velocità di un corpo e la velocità del suono nel mezzo circostante. Mentre la turbolenza attraversa lo shock, è tipicamente amplificato a seconda del numero di Mach.
Esperimenti e simulazioni di Donzis e colleghi hanno suggerito che questa amplificazione dipende anche dal numero di Reynolds, una misura di quanto è forte la turbolenza, e il turbolento numero di Mach. "Abbiamo proposto una teoria che combinasse tutti questi elementi in un unico parametro, " disse Donzis. "E quando abbiamo proposto questa teoria un paio di anni fa, non avevamo dati ben risolti ad altissima risoluzione per testare alcune di queste idee."
Entra in fuga2, un supercomputer da 18 petaflop presso il Texas Advanced Computing Center, parte dell'Università del Texas ad Austin. Stampede2 è il computer più potente degli Stati Uniti per la ricerca scientifica aperta, dove i risultati sono resi disponibili gratuitamente. A Donzis è stato assegnato il tempo di calcolo su Stampede2 tramite XSEDE, l'ambiente estremo di scoperta della scienza e dell'ingegneria. Sia Stampede2 che XSEDE sono finanziati dalla National Science Foundation.
"Su Stampede2, abbiamo eseguito un set di dati molto ampio di interazioni di turbolenza d'urto in condizioni diverse, soprattutto ad alta intensità di turbolenza, con un grado di realismo che va al di là di quanto tipicamente riscontrabile in letteratura in termini di risoluzione alle piccole scale, in termini di ordine dello schema che abbiamo usato, " ha detto Donzis. "Grazie a Stampede2, non solo possiamo mostrare come scalano i fattori di amplificazione, ma anche in quali condizioni ci aspettiamo che la teoria di Ribner tenga, e in quali condizioni il nostro ridimensionamento precedentemente proposto è il più appropriato."
L'autore principale dello studio Chang Hsin Chen ha aggiunto che, "Abbiamo anche esaminato la struttura dello shock e, attraverso simulazioni altamente risolte, siamo stati in grado di capire come la turbolenza crei buchi sull'ammortizzatore. Ciò è stato possibile solo grazie alla potenza di calcolo fornita da Stampede2." Chen è un ricercatore post-dottorato presso il National Aerothermochemistry Laboratory della Texas A&M University. La sua ricerca si concentra sulla turbolenza comprimibile e sulle onde d'urto, e fluidodinamica computazionale ad alte prestazioni.
I coautori dello studio sulla turbolenza da shock Chang Hsin Chen (a sinistra) e Diego Donzis (a destra), nella foto con il supercomputer Stampede2. Credito:TACC
Donzis ha aggiunto che "Stampede2 ci consente di eseguire simulazioni, alcuni di loro a livelli di realismo senza precedenti, in particolare la risoluzione su piccola scala di cui abbiamo bisogno per studiare i processi alle scale molto piccole dei flussi turbolenti. Alcune di queste simulazioni vengono eseguite su metà della macchina, o più, e a volte impiegano mesi per funzionare."
Cosa c'è di più, gli scienziati hanno anche esplorato i cosiddetti salti d'urto, che sono bruschi cambiamenti di pressione e temperatura mentre la materia si muove attraverso uno shock. "In questo studio abbiamo sviluppato e testato un nuovo quadro teorico per comprendere, Per esempio, perché uno shock altrimenti stazionario inizia a muoversi quando il flusso in entrata è turbolento, " ha detto Donzis. Ciò implica che la turbolenza in arrivo altera profondamente lo shock. "La teoria prevede, e le simulazioni su Stampede2 confermano che i salti di pressione cambiano, e come lo fanno quando il flusso in entrata è turbolento. Questo è un effetto che in realtà non è considerato nel lavoro seminale di Ribner, ma ora possiamo capirlo quantitativamente, " ha detto Donzi.
Fare progressi nella comprensione quando la turbolenza incontra gli shock non è stato facile. È necessaria una risoluzione estrema dell'ordine di miliardi di punti della griglia per catturare i gradienti netti di uno shock ad alto numero di Reynolds. "Anche se siamo limitati da quanto possiamo spingere l'intervallo di parametri su Stampede2 o su qualsiasi altro computer per quella materia, siamo stati in grado di coprire uno spazio molto ampio in questo spazio parametrico, che abbracciano intervalli di parametri oltre a quanto è stato fatto prima, " ha detto Donzi.
Anche l'input/output (I/O) si è rivelato difficile nella scrittura dei dati su disco con un numero di core molto elevato. "Questo è un caso in cui abbiamo approfittato degli Extended Collaborative Support Services (ECSS) di XSEDE, e siamo stati in grado di ottimizzare con successo la nostra strategia, " Ha detto Donzis. "Ora siamo fiduciosi di poter continuare ad aumentare le dimensioni delle nostre simulazioni con la nuova strategia e continuare a fare I/O a una spesa computazionale ragionevole".
Donzis non è estraneo a XSEDE, che usava da anni quando si chiamava Teragrid, sviluppare i codici del suo gruppo, a partire dal sistema LeMieux al Pittsburgh Supercomputing Center; Blue Horizon al San Diego Supercomputer Center; Kraken presso l'Istituto Nazionale di Scienze Computazionali; e ora su Stampede1 e Stampede2 al TACC.
"Molti dei successi che abbiamo oggi sono dovuti al continuo supporto di XSEDE, e Teragrid, per la comunità scientifica. La ricerca che siamo in grado di fare oggi e tutte le storie di successo sono in parte il risultato del continuo impegno da parte della comunità scientifica e delle agenzie di finanziamento per sostenere un'infrastruttura cibernetica che ci permetta di affrontare le più grandi sfide scientifiche e tecnologiche che affrontiamo e possiamo affrontare nel futuro. Questo è vero non solo per il mio gruppo, ma forse anche per il resto della comunità informatica scientifica negli Stati Uniti. Credo che il progetto XSEDE e i suoi predecessori in questo senso siano stati un enorme facilitatore, " ha detto Donzi.
Donzis è fermamente convinto che i progressi nell'elaborazione ad alte prestazioni (HPC) si traducano direttamente in benefici per tutta la società. "Qualsiasi impatto sull'HPC avrà ripercussioni sui trasporti, processi industriali, produzione, difesa, essenzialmente la vita quotidiana della gente comune, poiché la maggior parte delle nostre vite è intrisa di prodotti e servizi tecnologici che in una fase o nell'altra beneficiano di calcoli numerici di diverse scale, " ha detto Donzis. E i progressi nella comprensione della turbolenza hanno un impatto su un'ampia gamma di applicazioni, Ha aggiunto.
Donzis ha detto:"I progressi nella comprensione delle interazioni tra turbolenze d'urto potrebbero portare a voli supersonici e ipersonici, renderli una realtà per far volare le persone in poche ore da qui verso l'Europa; esplorazione dello spazio; e anche la nostra comprensione della struttura dell'universo osservabile. Potrebbe aiutare a rispondere, perché siamo qui? più giù per terra, comprendere la turbolenza nei flussi comprimibili potrebbe portare a grandi miglioramenti nell'efficienza di combustione, riduzione della resistenza e trasporto generale."
