Als je aan turbulentie denkt, je zou kunnen denken aan een hobbelige vliegtuigrit. turbulentie, echter, is veel meer alomtegenwoordig in ons leven dan alleen vliegreizen. Oceaangolven, rook van vuur, zelfs het geluid van straalmotoren of windturbines houdt allemaal verband met turbulentie.

Een team van onderzoekers van het RWTH Aachen University's Institute of Aerodynamics (AIA) is al lang geïnteresseerd in het gebruik van berekeningen om turbulentie te begrijpen - een van de grootste uitdagende mysteries van vloeistofdynamica - en hoe deze zich verhoudt tot vliegtuiglawaai, brandstofefficiëntie, of het vervoer van verontreinigende stoffen, onder andere onderzoeksinteresses.

Het team heeft de Cray XC40 Hazel Hen-supercomputer in het High-Performance Computing Center Stuttgart gebruikt om turbulente meerfasestromen te bestuderen - de beweging van twee materialen in verschillende toestanden (zoals vaste stoffen en vloeistoffen) of materialen in dezelfde staat die, om chemische redenen, niet kunnen mengen (zoals olie en water). Het team werkt ook aan het verbeteren van de nauwkeurigheid van turbulentiesimulaties op meer bescheiden computers.

Onlangs, het team publiceerde een paper in de Journal of Fluid Mechanics waarin de routekaart naar een betere modellering van turbulente meerfasestromen wordt beschreven. Het werk ondersteunt de grotere interdisciplinaire doelen van het team. "Dit project maakt deel uit van een grotere onderzoekseenheid waar we onderzoeken hoe we kolencentrales milieuvriendelijker kunnen maken met betrekking tot hun CO2-uitstoot, " zei RWTH-onderzoeker Dr. Matthias Meinke.

Tijdens de verbranding, gassen vermengen zich met kleine, vaste deeltjes, wat betekent dat realistische simulaties miljarden van deze complexe, meerfasige interacties. Om de gigantische rekenkosten aan te pakken die met zulke enorme berekeningen gepaard gaan, veel onderzoekers gebruiken alleen modellen voor deeltjesbeweging in een stroom, de rekenkosten verlagen door de simulatie te vereenvoudigen. Echter, deze vereenvoudigingen kunnen ook afbreuk doen aan de nauwkeurigheid en, beurtelings, de voorspellende kracht van simulaties.

Het team van RWTH Aken wil zijn rekenmodellen verbeteren om rekening te houden met de kleine interacties die een grote impact hebben op turbulente stromingen. "We wilden een meer gedetailleerde methode bedenken die nodig is om deze met deeltjes beladen stromen te begrijpen wanneer de deeltjes extreem klein zijn, " zei Prof. Dr. Wolfgang Schröder, AIA Directeur en medewerker aan het project van het team. "Deze deeltjes bepalen eigenlijk de efficiëntie van het algehele verbrandingsproces, en dat is onze algemene doelstelling, want vanuit een technisch perspectief, we willen de modellen die dit soort processen beschrijven nauwkeuriger maken."

Opschalen door verkleinen

Eigenlijk, turbulentie treedt op wanneer een stroom te opgewonden wordt. Of het nu vloeistoffen of gassen zijn, alle vloeistoffen hebben een of andere vorm van viscositeit, die helpt de kinetische energie (bewegingsenergie) in een stroom te bundelen. Als de energie in een stroom hoog is, en de vloeistof is niet dik, of stroperig, genoeg om de energie te verdrijven, de beweging gaat van zeer ordelijk (laminaire stroming) naar chaotisch (turbulente stroming). Deze chaos wordt doorgegeven van grotere naar kleinere schalen totdat de viscositeit van de vloeistof opnieuw controle over de stroom krijgt door de kinetische energie in warmte om te zetten.

De kleinste schaal - waar kinetische energie wordt omgezet in warmte en viscositeit opnieuw de controle over de stroom overneemt - wordt de Kolmogorov-schaal genoemd.

Het team wilde de turbulente stroming tot op de Kolmogorov-schaal berekenen met de meest nauwkeurige vloeistofdynamica-methode die mogelijk is.

Veel onderzoekers die problemen met de vloeistofdynamica bestuderen die verband houden met turbulentie, gebruiken Large-Eddy Simulations (LES) om de rekenkosten te verlagen door bepaalde aannames te doen over wat er op de kleinste schaal gebeurt. Echter, de meest realistische manier om turbulente processen te berekenen is het gebruik van Direct Numerical Simulations (DNS). DNS stelt onderzoekers in staat om op kleinere schaal geen aannames te doen, wat betekent dat de nauwkeurigheid is verbeterd, maar de rekenkosten zijn hoger.

Met behulp van Hazel Hen, het team was in staat om een ​​DNS-simulatie uit te voeren op een systeem van 45, 000 deeltjes met een grootte van de Kolmogorov-schaal. Voor zover het team weet, dit is de grootste simulatie van deeltjes op deze schaal tot nu toe, en dient als een maatstaf voor hoe andere onderzoekers die dit proces bestuderen, realistischere simulatieresultaten kunnen krijgen. Om het "beste van twee werelden" te hebben met betrekking tot de deeltjes op Kolmogorov-schaal en de DNS-simulaties, het team moest absoluut een supercomputer van wereldklasse en ondersteuning van wereldklasse hebben.

"Gezien het uiteindelijke resultaat, het zou niet mogelijk zijn geweest om dit soort onderzoek te doen - om de berekeningen uit te voeren en de analyse uit te voeren - zonder Hazel Hen. Zonder dit apparaat, er zou geen enkele manier zijn om te concurreren met andere internationale onderzoeksgroepen op dit gebied, ’ zei Schröder.

"Het is lastig om alles te laten werken zoals het zou moeten zijn, vooral op dergelijke grootschalige platforms, "Zei Meinke. "Als we nabewerking willen doen, we hebben specialisatie nodig. We testen voortdurend nieuwe parallelle bestandssystemen, omdat het terugschrijven van gegevens naar de schijf een groot knelpunt is. Voor al deze dingen, we staan ​​voortdurend in contact met en krijgen waardevolle ondersteuning van het HLRS-personeel."

Nauwkeurigheid voor iedereen

Met het succes van zijn grootschalige DNS draait op een van 's werelds snelste supercomputers, het team richt zich nu op het verbeteren van de nauwkeurigheid van turbulentiesimulaties voor onderzoekers die mogelijk geen toegang hebben tot supercomputers.

Het team begint te werken aan methoden om de gegevens die het heeft ontvangen van zijn DNS-simulaties te integreren in eenvoudigere, minder rekenintensieve methoden. Hierdoor kan het team niet alleen meer simulaties doen, het zal veel grotere simulaties mogelijk maken die met een hogere mate van nauwkeurigheid kunnen worden gedaan.

Dit zal niet alleen de onderzoekers ten goede komen, het zal ook de industrie ten goede komen. "We moeten onze vereenvoudigde modellen verifiëren zodat ze geldig zijn, en dat is belangrijk voor mensen die kolencentrales ontwerpen. Ze moeten zulke modellen gebruiken, anders kunnen ze het hele proces niet nauwkeurig voorspellen, "Zei Meinke. Met deze gevalideerde modellen kunnen de onderzoekers het hele proces nauwkeuriger voorspellen.

Aangezien het Gauss Center for Supercomputing zijn systemen van de volgende generatie levert aan HLRS en zijn partnercentra in het Jülich Supercomputing Center en het Leibniz Supercomputing Center, Garching bij München, Schröder en Meinke zijn enthousiast over het duiken in nog complexere simulaties.

"In onze krant we beschouwen alleen bolvormige deeltjes, "Zei Schröder. "Er zijn andere deeltjes met een meer naaldachtige vorm met dunne filamenten, en deze zijn nodig om te simuleren. We moeten met een beter model komen en onze analyse zo veralgemenen dat we een model kunnen bieden dat door andere groepen kan worden gebruikt."