Nel 2018, i passeggeri a bordo di un volo per l'Australia hanno sperimentato una terrificante picchiata di 10 secondi quando un vortice che trascinava il loro aereo ha attraversato la scia di un altro volo. La collisione di questi vortici, la compagnia aerea sospettava, ha creato violente turbolenze che hanno portato a una caduta libera.

Per aiutare a progettare velivoli in grado di manovrare meglio in situazioni estreme, I ricercatori della Purdue University hanno sviluppato un approccio di modellazione che simula l'intero processo di una collisione di vortici con un tempo di calcolo ridotto. Questa conoscenza della fisica potrebbe quindi essere incorporata nei codici di progettazione ingegneristica in modo che l'aereo risponda in modo appropriato.

Le simulazioni attualmente utilizzate dai progettisti di aeromobili catturano solo una parte degli eventi di collisione di vortici e richiedono un'ampia elaborazione dei dati su un supercomputer. Non essere in grado di simulare facilmente tutto ciò che accade quando i vortici si scontrano ha progetti di aeromobili limitati.

Con simulazioni più realistiche e complete, gli ingegneri potrebbero progettare aerei come jet da combattimento capaci di manovre più brusche o elicotteri che possono atterrare in modo più sicuro su portaerei, hanno detto i ricercatori.

Il professore di ingegneria meccanica Carlo Scalo e il suo gruppo di ricerca utilizzano i supercomputer per sviluppare modelli che simulano in modo efficiente i fenomeni di flusso di vortici.

"Gli aerei in condizioni estreme non possono fare affidamento su semplici modelli, " disse Carlo Scalo, un professore associato di ingegneria meccanica alla Purdue con un appuntamento di cortesia in aeronautica e astronautica.

"Solo per risolvere alcuni di questi calcoli può essere necessario eseguirli su un migliaio di processori per un mese. È necessario un calcolo più veloce per progettare un aereo".

Gli ingegneri avrebbero ancora bisogno di un supercomputer per eseguire il modello sviluppato dal team di Scalo, ma sarebbero in grado di simulare una collisione di vortici in circa un decimo o un centesimo del tempo utilizzando risorse di calcolo molto inferiori a quelle normalmente richieste per calcoli su larga scala.

I ricercatori chiamano il modello una "Simulazione Large-Eddy (LES) di conservazione della vorticità coerente (CvP)". Lo sviluppo in quattro anni di questo modello è riassunto in un documento pubblicato nel Journal of Fluid Mechanics .

"Il modello CvP-LES è in grado di catturare fisica super complessa senza dover aspettare un mese su un supercomputer perché incorpora già la conoscenza della fisica che i calcoli su scala estrema dovrebbero riprodurre meticolosamente, " disse Scalo.

L'ex ricercatore postdottorato della Purdue Jean-Baptiste Chapelier ha guidato il processo di costruzione del modello, durato due anni. Xinran Zhao, un altro ricercatore postdottorato della Purdue sul progetto, condotto complesso, calcoli su larga scala per dimostrare che il modello è accurato. Questi calcoli hanno permesso ai ricercatori di creare una rappresentazione più dettagliata del problema, utilizzando più di un miliardo di punti. Per confronto, un televisore 4K ad altissima definizione utilizza circa 8 milioni di punti per visualizzare un'immagine.

Costruire su queste basi, i ricercatori hanno applicato il modello CvP-LES agli eventi di collisione di due tubi a vortice chiamati vortici annodati a trifoglio che sono noti per trascinare le ali di un aereo e "danzare" quando si riconnettono.

Questa danza è estremamente difficile da catturare.

"Quando i vortici si scontrano, c'è uno scontro che crea molta turbolenza. È molto difficile da simulare dal punto di vista computazionale perché hai un intenso evento localizzato che si verifica tra due strutture che sembrano piuttosto innocenti e senza incidenti finché non si scontrano, " disse Scalo.

Utilizzando il supercomputer Brown a Purdue per i calcoli di medie dimensioni e le strutture del Dipartimento della Difesa per i calcoli su larga scala, il team ha elaborato i dati sulle migliaia di eventi che si verificano quando questi vortici danzano e ha costruito la conoscenza della fisica nel modello. Hanno quindi usato il loro modello di turbolenza per simulare l'intera danza di collisione.

Gli ingegneri potrebbero semplicemente eseguire il modello già pronto per simulare i vortici per un periodo di tempo qualsiasi per assomigliare al meglio a ciò che accade intorno a un aereo, ha detto Scalo. I fisici potrebbero anche ridurre il modello per esperimenti di fluidodinamica.

"La cosa davvero intelligente dell'approccio del Dr. Scalo è che utilizza le informazioni sulla fisica del flusso per decidere la tattica migliore per calcolare la fisica del flusso, " ha detto Matthew Munson, responsabile del programma di Fluidodinamica presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti.

"È una strategia intelligente perché rende il metodo di soluzione applicabile a una più ampia varietà di regimi rispetto a molti altri approcci. C'è un enorme potenziale per avere un impatto reale sulla progettazione delle piattaforme dei veicoli e dei sistemi d'arma che consentiranno ai nostri soldati di portare a termine le loro missioni".

Il team di Scalo utilizzerà il nuovissimo supercomputer del cluster comunitario di Purdue, Campana, continuare la sua indagine sui flussi vorticosi complessi. Il team sta anche lavorando con il Dipartimento della Difesa per applicare il modello CvP-LES a casi di test su larga scala relativi a velivoli ad ala rotante come gli elicotteri.

"Se sei in grado di simulare con precisione le migliaia di eventi nel flusso come quelli provenienti da una pala di un elicottero, potresti progettare sistemi molto più complessi, " disse Scalo.