Dit kan als een schok komen, als je snel genoeg beweegt. De schok zijn schokgolven. De 'knal' van een ballon zijn schokgolven die worden gegenereerd door geëxplodeerde stukjes van de ballon die sneller bewegen dan de snelheid van het geluid. Supersonische vliegtuigen genereren een veel luidere sonische 'boem, ' ook van schokgolven. Verder de kosmos in, een instortende ster genereert schokgolven van deeltjes die bijna met de lichtsnelheid racen terwijl de ster supernova wordt. Wetenschappers gebruiken supercomputers om een ​​beter begrip te krijgen van turbulente stromingen die interageren met schokgolven. Dit begrip kan helpen bij de ontwikkeling van supersonische en hypersonische vliegtuigen, efficiëntere motorontsteking, evenals de mysteries van supernova-explosies onderzoeken, stervorming, en meer.

"We hebben een aantal nieuwe manieren voorgesteld waarop schokturbulentie-interacties kunnen worden begrepen, " zei Diego Donzis, een universitair hoofddocent bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de Texas A&M University. Donzis was co-auteur van de studie, "Schok-turbulentie-interacties bij hoge turbulentie-intensiteiten, " gepubliceerd mei 2019 in de Journal of Fluid Mechanics . "We hebben voorgesteld dat in plaats van de schok te behandelen als een discontinuïteit, men moet rekening houden met zijn eindige dikte zoals in het echte leven, die als een bepalende parameter kan worden gebruikt bij, bijvoorbeeld, versterkingsfactoren, ' zei Donzis.

Het dominante theoretische raamwerk voor schokturbulentie-interacties gaat terug tot de jaren vijftig, ontwikkeld door Herbert Ribner aan de Universiteit van Toronto, Ontario. Zijn werk ondersteunde het begrip van turbulentie en schokken interacties met een lineaire, onduidelijke theorie, die ervan uitgaat dat de schok een echte discontinuïteit is. Het hele probleem kan dus worden teruggebracht tot iets dat wiskundig hanteerbaar is, waarbij de resultaten alleen afhangen van het Mach-getal van de schok, de verhouding van de snelheid van een lichaam tot de snelheid van het geluid in het omringende medium. Als turbulentie door de schok gaat, het wordt meestal versterkt, afhankelijk van het Mach-getal.

Experimenten en simulaties door Donzis en collega's suggereerden dat deze versterking ook afhangt van het Reynoldsgetal, een maat voor hoe sterk de turbulentie is, en het turbulente Mach-getal. "We stelden een theorie voor die al deze in één enkele parameter combineerde, ' zei Donzis. 'En toen we deze theorie een paar jaar geleden voorstelden, we hadden geen goed opgeloste gegevens met een zeer hoge resolutie om sommige van deze ideeën te testen."

Voer Stampede2 in een 18 petaflop-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center, onderdeel van de Universiteit van Texas in Austin. Stampede2 is de krachtigste computer in de VS voor open wetenschappelijk onderzoek, waar de resultaten vrij beschikbaar worden gesteld. Donzis kreeg rekentijd op Stampede2 via XSEDE, de Extreme Science and Engineering Discovery-omgeving. Zowel Stampede2 als XSEDE worden gefinancierd door de National Science Foundation.

"Op Stampede2, we hebben een zeer grote dataset van schokturbulentie-interacties uitgevoerd onder verschillende omstandigheden, vooral bij hoge turbulentie-intensiteitsniveaus, met een mate van realisme die verder gaat dan wat doorgaans in de literatuur wordt gevonden in termen van resolutie op kleine schaal, in termen van de volgorde van het schema dat we gebruikten, " zei Donzis. "Dankzij Stampede2 we kunnen niet alleen laten zien hoe versterkingsfactoren schalen, maar ook onder welke voorwaarden we verwachten dat de theorie van Ribner standhoudt, en onder welke voorwaarden onze eerder voorgestelde schaalvergroting de meest geschikte is."

Studie hoofdauteur Chang Hsin Chen voegde toe dat, "We hebben ook gekeken naar de structuur van de schok en, door zeer opgeloste simulaties, we konden begrijpen hoe turbulentie gaten in de schok veroorzaakt. Dit was alleen mogelijk dankzij de rekenkracht van Stampede2." Chen is een postdoctoraal onderzoeker in het National Aerothermochemistry Laboratory aan de Texas A&M University. Zijn onderzoek richt zich op samendrukbare turbulentie en schokgolven, en high-performance computationele vloeistofdynamica.

Donzis vervolgde dat "Stampede2 ons in staat stelt simulaties uit te voeren, sommigen van hen op een ongekend niveau van realisme, in het bijzonder de kleinschalige resolutie die we nodig hebben om processen op de zeer kleine schaal van turbulente stromingen te bestuderen. Sommige van deze simulaties draaien op de helft van de machine, of meer, en soms duurt het maanden voordat ze lopen."

Bovendien, de wetenschappers onderzochten ook de zogenaamde schoksprongen, die abrupte veranderingen in druk en temperatuur zijn als materie door een schok beweegt. "In deze studie hebben we een nieuw theoretisch kader ontwikkeld en getest om te begrijpen, bijvoorbeeld, waarom een ​​anders stationaire schok begint te bewegen wanneer de inkomende stroom turbulent is, " zei Donzis. Dit houdt in dat de inkomende turbulentie de schok diep verandert. "De theorie voorspelt, en de simulaties op Stampede2 bevestigen dat de druksprongen veranderen, en hoe ze dat doen als de inkomende stroming turbulent is. Dit is een effect dat eigenlijk niet wordt verklaard in het baanbrekende werk van Ribner, maar nu kunnen we het kwantitatief begrijpen, ' zei Donzis.

Het was niet gemakkelijk om vooruitgang te boeken in het begrijpen wanneer turbulentie en schokken elkaar ontmoeten. Extreme resolutie in de orde van miljarden rasterpunten is nodig om de scherpe gradiënten van een schok bij een hoog Reynoldsgetal vast te leggen. "Hoewel we worden beperkt door hoeveel we het parameterbereik op Stampede2 of een andere computer kunnen pushen, we hebben een zeer grote ruimte in deze parameterruimte kunnen bestrijken, het overspannen van parameterbereiken die verder gaan dan wat eerder is gedaan, ' zei Donzis.

De input/output (I/O) bleek ook een uitdaging te zijn bij het schrijven van de gegevens naar schijf bij zeer grote kernaantallen. "Dit is een geval waarin we gebruik hebben gemaakt van de Extended Collaborative Support Services (ECSS) van XSEDE, en we hebben onze strategie met succes kunnen optimaliseren, "Zei Donzis. "We hebben er nu vertrouwen in dat we de omvang van onze simulaties met de nieuwe strategie kunnen blijven vergroten en I/O kunnen blijven doen tegen redelijke rekenkosten."

Donzis is geen onbekende voor XSEDE, die hij jaren geleden gebruikte toen het Teragrid heette, om de codes van zijn groep te ontwikkelen - te beginnen met het LeMieux-systeem in het Pittsburgh Supercomputing Center; Blue Horizon in het San Diego Supercomputer Center; Kraken bij het National Institute for Computational Sciences; en nu op Stampede1 en Stampede2 bij TACC.

"Een aantal van de successen die we vandaag hebben, zijn te danken aan de voortdurende steun van XSEDE, en Teragrid, voor de wetenschappelijke gemeenschap. Het onderzoek dat we vandaag de dag kunnen doen en alle succesverhalen zijn deels het resultaat van de voortdurende inzet van de wetenschappelijke gemeenschap en financieringsinstanties om een ​​cyberinfrastructuur in stand te houden die ons in staat stelt de grootste wetenschappelijke en technologische uitdagingen aan te gaan waarmee we worden geconfronteerd en mogelijk worden geconfronteerd in de toekomst. Dit geldt niet alleen voor mijn groep, maar misschien ook voor de rest van de wetenschappelijke computergemeenschap in de VS. Ik geloof dat het XSEDE-project en zijn voorgangers in deze zin een enorme aanjager zijn geweest, ' zei Donzis.

Donzis is er vast van overtuigd dat vooruitgang in high performance computing (HPC) zich direct vertaalt in voordelen voor de hele samenleving. "Elke impact in HPC zal gevolgen hebben voor het transport, industriële processen, productie, verdediging, in wezen het dagelijks leven van gewone mensen, aangezien het grootste deel van ons leven doordrenkt is met technologische producten en diensten die op een of ander moment profiteren van numerieke berekeningen van verschillende schalen, " zei Donzis. En vooruitgang in het begrip van turbulentie heeft gevolgen voor een breed scala aan toepassingen, hij voegde toe.

Zei Donzis:"Vooruitgang in het begrip van schokturbulentie-interacties zou kunnen leiden tot supersonische en hypersonische vlucht, om ze te realiseren zodat mensen in een paar uur van hier naar Europa kunnen vliegen; ruimteonderzoek; en zelfs ons begrip van de structuur van het waarneembare heelal. Het kan helpen bij het beantwoorden, waarom zijn we hier? Meer nuchter, het begrijpen van turbulentie in samendrukbare stromen kan leiden tot grote verbeteringen in verbrandingsefficiëntie, luchtweerstandsvermindering en algemeen transport."