Legeronderzoekers hebben een computermodel ontworpen dat het gedrag van atmosferische turbulentie in complexe omgevingen effectiever berekent. inclusief steden, bossen, woestijnen en bergachtige gebieden.

Met deze nieuwe technologie kunnen soldaten weerpatronen sneller voorspellen met behulp van de beschikbare computers en de vluchtomstandigheden voor luchtvoertuigen op het slagveld effectiever beoordelen.

Turbulentie kan onzichtbaar zijn voor het blote oog, het is altijd om ons heen aanwezig in de lucht in de vorm van chaotische veranderingen in snelheid en druk.

Traditionele computationele vloeistofdynamica-methoden voor het analyseren van atmosferische turbulentie behandelen de vloeistof als een continuüm, het oplossen van de niet-lineaire Navier-Stokes differentiaalvergelijkingen die erbij betrokken zijn.

Echter, het berekenen van de turbulentie in de planetaire grenslaag, de onderste laag van de atmosfeer, kan moeilijk zijn vanwege de aanwezigheid van bomen, hoge gebouwen en andere aspecten van het landschap hebben een directe invloed op het gedrag.

TCFD-methoden moeten rekening houden met alle effecten van de aangrenzende punten rond het doel, wat een enorme rekenbelasting creëert die zeer moeilijk efficiënt te implementeren is op moderne parallelle architecturen, zoals versnellers voor grafische verwerkingseenheden.

Als resultaat, deze methoden worden vaak geconfronteerd met uitdagingen wanneer ze worden geconfronteerd met meer ingewikkelde omgevingen als gevolg van beperkingen bij het behandelen van complexe oppervlaktegrenzen.

In een poging om een ​​alternatieve benadering te zoeken, een team van wetenschappers van het Amerikaanse legeronderzoekslaboratorium onder leiding van Dr. Yansen Wang wendde zich tot het gebied van statistische mechanica voor ideeën.

Wat ze vonden was de Lattice-Boltzmann-methode, een techniek die door natuurkundigen en ingenieurs wordt gebruikt om vloeistofgedrag op zeer kleine schaal te voorspellen.

"De Lattice-Boltzmann-methode wordt normaal gesproken gebruikt om de evolutie van een klein volume turbulentiestromen te voorspellen, maar het is nooit gebruikt voor een gebied zo groot als de atmosfeer, " zei Wang. "Toen ik erover las in een onderzoekspaper, Ik dacht dat het niet alleen op een klein volume turbulentie kon worden toegepast, maar ook op atmosferische turbulentie."

In tegenstelling tot TCFD-methoden, de LBM behandelt de vloeistof als een verzameling deeltjes in plaats van een continuüm en wordt veel gebruikt in vloeistofsimulatie om de vloeistofdynamica nauwkeurig weer te geven.

Wang en zijn team stelden vast dat deze nieuwe benadering atmosferische turbulentie nauwkeurig kon modelleren, terwijl er veel minder berekeningen nodig waren dan wanneer ze de NS-differentiaalvergelijkingen hadden opgelost.

Door deze fundamentele verandering konden ze een groot deel van de aangrenzende punten op het rastermodel negeren, het verminderen van het aantal naburige gedragingen om rekening te houden met en het aanzienlijk verminderen van de rekenbelasting.

Als resultaat van hun onderzoek, de onderzoekers gebruikten de nieuw ontwikkelde multi-relaxation-time Lattice-Boltzmann-methode om een ​​geavanceerd Atmospheric Boundary Layer Environment-model te creëren, die specifiek zeer turbulente stroming in complexe en stedelijke domeinen behandelde.

Dit is de eerste keer dat een geavanceerd MRT-LBM-model is gebruikt om de atmosfeer te modelleren.

Het nieuw ontwikkelde ABLE-LBM-model maakt de weg vrij voor een zeer veelzijdige benadering van voorspelling van atmosferische grenslaagstroming.

Naast een hogere werksnelheid en een eenvoudigere implementatie van complexe grenzen, deze benadering is intrinsiek parallel en dus compatibel met moderne parallelle architecturen, waardoor het een potentieel levensvatbare modelleringsmethode is op tactische rekenplatforms voor het Amerikaanse leger.

"Op het slagveld, je wilt snel atmosferische turbulentiegegevens, maar je hebt niet per se supercomputers bij de hand, " zei Wang. "Echter, je hebt een moderne computerarchitectuur met duizenden processors die het computeren snel maken als het algoritme geschikt is. Met de ABLE-LBM, je kunt die moderne computerarchitecturen gebruiken om turbulentie op het slagveld te berekenen zonder dat je verbinding hoeft te maken met een krachtig computercentrum."

De ontwikkeling van het ABLE-LBM-model heeft naast de weersvoorspelling ook belangrijke gevolgen voor veel andere aspecten van legeroperaties.

Atmosferische turbulentie kan het gedrag van optische en akoestische golven aanzienlijk beïnvloeden, die direct van invloed zijn op wat soldaten kunnen zien en horen.

Het kan een belangrijke factor zijn bij verkenning en het pad veranderen dat een laser aflegt of hoe geluiden door een systeem worden uitgezonden.

Kleine onbemande luchtsystemen zijn ook overgeleverd aan turbulentiewervels, die kan optreden wanneer een windvlaag een gebouw raakt.

Weten hoe de turbulentie zich zal gedragen, kan sUAS helpen botsingen te voorkomen en zelfs te profiteren van bestaande opwaartse stromingen om zonder hun propellers te vliegen om energie te besparen.

Mogelijke toepassingen zijn ook buiten het leger te vinden in het burgerleven.

Een betere kennis van grenslaagturbulentie kan helpen bij de civiele planning, zowel bij de voorbereiding als bij de reactie op noodsituaties bij het omgaan met chemische lozingen, industriële branden en andere door de mens veroorzaakte of natuurrampen.

"Veel mensen zijn geïnteresseerd in het toepassen van deze methode op verschillende gebieden, " zei Wang. "Deze techniek heeft een nieuwe manier geplaveid om atmosferische turbulentie te modelleren. Ons onderzoek was het eerste dat de weg vrijmaakte voor deze nieuwe richting, dus we hebben nog veel te bewijzen."

Details van deze doorbraak worden beschreven in de krant, "Simulatie van gelaagde stromingen over een richel met behulp van een rooster-Boltzmann-model" door Yansen Wang, Benjamin T. MacCall, Christopher M. Hocut, Xiping Zeng en Harindra J.S. Fernando in het tijdschrift Omgevingsvloeistofmechanica .