2019-08-11 00:48:01
湍流遇到震动

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如果你的移动速度足够快,这可能会让人震惊。震惊是冲击波。气球的“爆裂”是由气球的爆炸位移动得比声速更快的冲击波。超音速飞机也产生了更响亮的声音“繁荣”,也来自冲击波。进一步进入宇宙时,一颗坍缩的恒星会产生来自光速附近的粒子的冲击波,因为恒星会变成超新星。科学家正在使用超级计算机来更好地了解与冲击波相互作用的湍流。这种理解可以帮助开发超音速和超音速飞机,更有效的发动机点火,以及探索超新星爆炸,恒星形成等的奥秘。

“我们提出了一些可以理解冲击湍流相互作用的新方法,”得克萨斯A&M大学航空航天工程系副教授Diego Donzis说。 Donzis共同撰写了这项研究,“高湍流强度下的冲击 - 湍流相互作用”,于2019年5月发表在“流体力学杂志”上。 “我们提出,不要将冲击视为不连续性,而是需要考虑其在现实生活中的有限厚度,这可能作为一个控制参数,例如放大因子,”Donzis说。

震荡湍流相互作用的主要理论框架可以追溯到20世纪50年代,由Herbert Ribner在安大略省多伦多大学开发。他的工作支持理解湍流和冲击与线性无粘性理论的相互作用,该理论认为冲击是真正的不连续性。因此,整个问题可以简化为数学上易处理的问题,其结果仅取决于冲击的马赫数,即身体速度与周围介质中声速的比率。当湍流经过冲击时,它通常根据马赫数放大。

Donzis及其同事的实验和模拟表明,这种放大还取决于雷诺数,湍流有多强的量度以及湍流马赫数。 “我们提出了一种将所有这些结合成一个参数的理论,”Donzis说。 “当我们几年前提出这个理论时,我们没有以非常高的分辨率得到解析良好的数据来测试其中的一些想法。”

进入德克萨斯高级计算中心的18 petaflop超级计算机Stampede2,它是德克萨斯大学奥斯汀分校的一部分。 Stampede2是美国开放式科学研究中功能最强大的计算机,其结果可以免费获得。 Donzis通过极限科学和工程发现环境XSEDE获得了Stampede2的计算时间。 Stampede2和XSEDE均由美国国家科学基金会资助。

“在Stampede2上,我们在不同条件下运行了一个非常大的冲击湍流相互作用数据集,特别是在高湍流强度水平下,其真实程度超出了文献中通常在小尺度上的分辨率,就我们使用的方案的顺序而言,“Donzis说。 “感谢Stampede2,我们不仅可以展示放大因子如何扩展,而且还可以在我们期望Ribner理论保持的条件下,以及在什么条件下我们之前提出的缩放比例更合适。”

研究的主要作者Chang Hsin Chen补充说:“我们还研究了震动的结构,通过高度分辨的模拟,我们能够理解湍流是如何在震动上产生漏洞的。这只能由于计算能力的提供而得以实现。 Stampede2“。 Chen是德克萨斯A&M大学国家航空化学实验室的博士后研究员。他的研究重点是可压缩湍流和冲击波,以及高性能计算流体动力学。

Donzis进一步强调,“Stampede2允许我们运行模拟,其中一些是前所未有的现实水平,特别是我们需要在极小规模的湍流中研究过程的小规模分辨率。其中一些模拟运行于一半机器,或更多,有时它们需要数月才能运行。“

更重要的是,科学家们还研究了所谓的冲击跳跃,即当物质穿过冲击时压力和温度的突然变化。 “在这项研究中,我们开发并测试了一个新的理论框架,以便了解,例如,当进入的流动是湍流时,为什么静止的冲击会开始移动,”Donzis说。这意味着进入的湍流会彻底改变冲击。 “理论预测,Stampede2上的模拟确认了压力跳跃的变化,以及当流入的流动是湍流时它们是如何做到的。这种效果在Ribner的开创性工作中实际上没有考虑到,但现在我们可以理解它,“Donzis说道。

在了解湍流何时遇到冲击方面取得进展并不容易。需要数十亿网格点的极端分辨率来捕获高雷诺数下的冲击的急剧梯度。 “虽然我们可以在Stampede2或任何其他计算机上推送参数范围的程度有限,但我们已经能够在这个参数空间中覆盖一个非常大的空间,超出以前的参数范围,”唐齐斯说。

输入/输出(I / O)在以非常大的核心数量将数据写入磁盘时也变得具有挑战性。 “这是我们利用XSEDE的扩展协作支持服务(ECSS)的一个例子,我们能够成功优化我们的战略,”Donzis说。 “我们现在有信心,我们可以通过新策略不断增加模拟的大小,并以合理的计算费用继续进行I / O.”

Donzis对XSEDE并不陌生,XSEDE多年前就被称为Teragrid,用于开发他的团队代码 - 从匹兹堡超级计算中心的LeMieux系统开始;圣地亚哥超级计算机中心的蓝色地平线;国家计算科学研究所的Kraken;现在在TACC的Stampede1和Stampede2上。

“我们今天取得的一些成功是因为XSEDE和Teragrid对科学界的持续支持。我们今天能够做的研究和所有成功案例部分是持续承诺的结果。由科学界和资助机构维持一个网络基础设施,使我们能够应对我们在未来面临和可能面临的最大科技挑战。这不仅适用于我的团队,也可能适用于其他科学计算在美国社区。我相信XSEDE项目及其前身在这个意义上是一个巨大的促成因素,“Donzis说。

Donzis坚信,高性能计算(HPC)的进步直接转化为整个社会的利益。 “对HPC的任何影响都会对运输,工业流程,制造,国防,基本上是普通人的日常生活产生影响,因为我们的大部分生活都融入了技术产品和服务,这些产品和服务在某个阶段或另一个阶段受益于不同的数值计算尺度,“唐齐斯说。他补充说,对湍流的理解的进步会影响广泛的应用。

Donzis说:“对震动湍流相互作用的理解的进展可能会导致超音速和超音速飞行,使人们在几个小时内从这里飞往欧洲,太空探索,甚至我们对结构的理解,可观测的宇宙。它可以帮助回答,为什么我们在这里?更多地球,理解可压缩流动的湍流可以导致燃烧效率,减阻和一般运输的巨大改善。

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