De grens van de luchtvaart is supersonisch. Het leger zoekt steeds snellere vliegtuigen, vliegtuigen die vijf keer de snelheid van het geluid kunnen vliegen. Vijftien jaar na de laatste transatlantische vlucht van de Concorde, Japan Airlines en de Virgin Group investeren in vliegtuigen die de reistijd overzee met meer dan de helft kunnen verkorten.

Maar supersonische snelheden brengen een hele reeks ontwerpuitdagingen met zich mee. Voor een ding, onstabiele luchtstroompatronen kunnen schokgolven veroorzaken die schadelijk zijn voor het vliegtuigpaneel. Ingenieurs moeten veiligheid voorop stellen, maar ze willen ook constructies zo licht mogelijk houden om de energie-efficiëntie te behouden die de brandstofkosten verlaagt.

Onderzoekers hopen te begrijpen wat deze grillige stromen veroorzaakt door strategieën te modelleren om ze te voorkomen of te elimineren. "Het was tot de afgelopen jaren niet mogelijk om dit soort onvastheid echt te simuleren, omdat we de rekenkracht niet hadden, " zegt Jonathan Poggie, een universitair hoofddocent aan de Purdue University's School of Aeronautics and Astronautics.

Maar met steun van het INCITE-programma van het Department of Energy (DOE) (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), Poggie en zijn medewerkers van het Air Force Research Laboratory hebben deze turbulente systemen aangepakt. Hun INCITE-toewijzing omvat 200 miljoen processoruren op de Mira IBM Blue Gene/Q-supercomputer bij Argonne Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Terwijl een vliegtuigvleugel door de atmosfeer beweegt, er stromen gassen omheen. Wanneer de luchtbeweging soepel is rond de contouren van het vliegtuig, het wordt gekoppelde stroom genoemd. De weerstand is laag, Poggie-aantekeningen, en het vaartuig is gemakkelijk te besturen.

Maar vliegtuigen kunnen gescheiden stroming ondergaan, vooral bij supersonische snelheden. Dit gebeurt wanneer lucht die langs het oppervlak beweegt, loslaat en een draaikolk vormt, een ingewikkelde, onstabiel driedimensionaal stroompatroon. Deze fluctuaties treden soms op met een lage frequentie die kan resoneren met vliegtuigpanelen. Supersonische snelheden kunnen schokgolven veroorzaken die herhaaldelijk de structuur van een vliegtuig beuken. "Er is een zeer ernstig probleem wanneer je dit soort scheiding krijgt, omdat het ongelooflijke stroomfluctuaties veroorzaakt, ' zegt Poggie.

Het probleem is niet uniek voor de snelste militaire jets. Supersonische stroming kan zich zelfs rond een commercieel vliegtuig vormen, zoals een 747 die met 85 procent van de geluidssnelheid vliegt. “Dat willen we graag kunnen voorspellen, beheersen en de situatie in vliegtuigen verbeteren, ' zegt Poggie.

Net als andere vloeistofdynamica problemen, instabiliteit van de scheiding brengt grote rekenkundige uitdagingen met zich mee. Kleine turbulente wervelingen kunnen fracties van een millimeter meten en slechts een duizendste van een seconde duren, terwijl stroomstructuren ter grootte van een vliegtuig - tot 10 meter - een seconde of langer kunnen duren. "Om turbulentie volledig op te vangen, "Poggie zegt, "we moeten beide schalen vastleggen."

Naarmate de verhoudingen toenemen, rekenkracht neemt ook toe. Voor het berekenen van turbulentie op een laboratoriumtafel is mogelijk alleen een desktopcomputer nodig. Ga naar een 747, Poggie zegt, en het was tot voor kort onmogelijk om alle schalen op te lossen.

Met hun INCITE-toewijzing, Poggie en zijn team hebben aanvankelijk een klassieke scheidingszaak gemodelleerd, met behulp van een hellingachtige structuur met een matige helling en een gebied dat lijkt op een vleugelflap. De simulatie bood een vergelijking met windtunnelexperimenten die stromingen rond een vliegtuigvleugel testen.

Om het probleem aan te pakken, het team moest eerst algoritmen optimaliseren om grote hoeveelheden informatie efficiënt parallel op meerdere processors te verwerken. "We hadden te maken met terabytes aan gegevens in plaats van gigabytes, ' zegt Poggie.

Met de nieuwe code afgestudeerde student Kevin Porter kon de stroming onderzoeken terwijl de scheidingsbel bewoog. De simulaties brachten patronen aan het licht die vlak voor de scheiding optreden. De laagfrequente instabiliteit - met kenmerken van ongeveer dezelfde grootte als het vliegtuig - hield verband met inkomende stroomgerelateerde gebeurtenissen. We hebben nu een idee waarom laagfrequente instabiliteit optreedt, zegt Poggie. Die kennis zou hen in staat kunnen stellen het gedrag te beheersen.

Maar ze realiseerden zich dat de vereenvoudigde oprit ook misleidend was, ook bij testen. Een windtunnel heeft zijkanten, Poggie-aantekeningen, en wervelingen vormen zich in de hoeken. Onderzoekers hadden zich afgevraagd of die draaikolken belangrijk waren; ze lijken te zijn.

Zo'n draaikolk kan de stroom vertragen, zelfs tot subsonische snelheden. Het overschrijden van die kritische drempel verandert de beweging van de geluidsgolf. Bij supersonische snelheden, geluidsgolven stromen alleen stroomafwaarts, maar subsonisch geluid kan stroomopwaarts of stroomafwaarts reizen. Die situatie zorgt ook voor verstoringen en onvastheid in de stroom.

Onderzoekers hebben twee modellen ontwikkeld van hoe turbulentie interageert met instabiliteit van de scheiding, zegt Poggie. In één scenario kan de stroom zelf een oscillator zijn, opgewonden door fluctuaties die groeien. In een ander scenario, de stroom versterkt constante inkomende fluctuaties, maar kan niet alleen oscilleren. "Het blijkt dat we de afgelopen jaren hebben ontdekt dat er een combinatie is van die twee effecten, ' zegt Poggie.

Hun werk plaagt nu wanneer elke individuele situatie belangrijk is, die van cruciaal belang zijn voor het beheersen van deze verstoringen. Voor versterkers, het toevoegen van verstoringen zou de situatie alleen maar erger maken, zegt Poggie. Maar met oscillatoren, ze kunnen actuatoren of actuatorarrays bevatten om de stromen tegen te gaan die de verstoring opwekken.

De groep is van plan om ook de scheidingsstromen rond een complexere vorm te modelleren:een vin die de staart van een vliegtuig nabootst, hij zegt. "Een vinberekening geeft ons een contrasterende stroom die een subtiel ander gedrag zal vertonen."