in 2018, passagiers aan boord van een vlucht naar Australië maakten een angstaanjagende duikvlucht van 10 seconden toen een draaikolk die hun vliegtuig volgde, overstak in het kielzog van een andere vlucht. De botsing van deze wervels, de luchtvaartmaatschappij vermoedde, veroorzaakte hevige turbulentie die leidde tot een vrije val.

Om vliegtuigen te helpen ontwerpen die beter kunnen manoeuvreren in extreme situaties, Purdue University-onderzoekers hebben een modelleringsaanpak ontwikkeld die het hele proces van een vortexbotsing simuleert met een verminderde rekentijd. Deze natuurkundige kennis kan vervolgens worden opgenomen in technische ontwerpcodes, zodat het vliegtuig op de juiste manier reageert.

De simulaties die vliegtuigontwerpers momenteel gebruiken, leggen slechts een deel van de vortexbotsingsgebeurtenissen vast en vereisen uitgebreide gegevensverwerking op een supercomputer. Niet in staat zijn om gemakkelijk alles te simuleren wat er gebeurt wanneer wervels botsen, heeft beperkte vliegtuigontwerpen.

Met meer realistische en complete simulaties, ingenieurs zouden vliegtuigen kunnen ontwerpen zoals straaljagers die in staat zijn tot meer abrupte manoeuvres of helikopters die veiliger kunnen landen op vliegdekschepen, aldus de onderzoekers.

Professor werktuigbouwkunde Carlo Scalo en zijn onderzoeksteam gebruiken supercomputers om modellen te ontwikkelen die vortexstromingsverschijnselen efficiënt simuleren.

"Vliegtuigen in extreme omstandigheden kunnen niet vertrouwen op eenvoudige modellering, " zei Carlo Scalo, een Purdue universitair hoofddocent werktuigbouwkunde met een beleefdheidsafspraak in de luchtvaart en ruimtevaart.

"Alleen al om problemen met sommige van deze berekeningen op te lossen, kunnen ze een maand op duizend processors worden uitgevoerd. Je hebt snellere berekeningen nodig om vliegtuigen te ontwerpen."

Ingenieurs zouden nog steeds een supercomputer nodig hebben om het model uit te voeren dat het team van Scalo heeft ontwikkeld. maar ze zouden in ongeveer een tiende tot een honderdste van de tijd een vortexbotsing kunnen simuleren met veel minder rekenhulpmiddelen dan die typisch nodig zijn voor grootschalige berekeningen.

De onderzoekers noemen het model een "Coherent-vorticity-Preserving (CvP) Large-Eddy Simulation (LES)." De vier jaar durende ontwikkeling van dit model is samengevat in een paper gepubliceerd in de Journal of Fluid Mechanics .

"Het CvP-LES-model is in staat om supercomplexe fysica vast te leggen zonder een maand op een supercomputer te hoeven wachten, omdat het al kennis bevat van de fysica die berekeningen op extreme schaal nauwkeurig zouden moeten reproduceren, ' zei Scalo.

Voormalig Purdue postdoctoraal onderzoeker Jean-Baptiste Chapelier leidde het tweejarige proces van het bouwen van het model. Xinran Zhao, een andere Purdue postdoctoraal onderzoeker op het project, complexe uitgevoerd, grootschalige berekeningen om te bewijzen dat het model nauwkeurig is. Met deze berekeningen konden de onderzoekers een meer gedetailleerde weergave van het probleem maken, met meer dan een miljard punten. Ter vergelijking, een 4K Ultra High Definition TV gebruikt ongeveer 8 miljoen punten om een ​​beeld weer te geven.

Voortbouwend op dit fundament, de onderzoekers pasten het CvP-LES-model toe op de botsingsgebeurtenissen van twee vortexbuizen, trefoil-geknoopte vortices genaamd, waarvan bekend is dat ze de vleugels van een vliegtuig volgen en "dansen" wanneer ze opnieuw verbinding maken.

Deze dans is buitengewoon moeilijk vast te leggen.

"Als wervels botsen, er is een botsing die veel turbulentie veroorzaakt. Het is rekenkundig erg moeilijk om te simuleren omdat je een intense gelokaliseerde gebeurtenis hebt die plaatsvindt tussen twee structuren die er vrij onschuldig en rustig uitzien totdat ze botsen, ' zei Scalo.

Met behulp van de Brown-supercomputer in Purdue voor middelgrote berekeningen en faciliteiten van het Ministerie van Defensie voor grootschalige berekeningen, het team verwerkte gegevens over de duizenden gebeurtenissen die plaatsvinden wanneer deze draaikolken dansen en bouwde die natuurkundige kennis in het model in. Vervolgens gebruikten ze hun turbulentiemodel om de hele botsingsdans te simuleren.

Ingenieurs kunnen eenvoudig het kant-en-klare model gebruiken om wervelingen over een bepaalde tijdsduur te simuleren om zo goed mogelijk te lijken op wat er rond een vliegtuig gebeurt, zei Scalo. Natuurkundigen zouden het model ook kunnen verkleinen voor experimenten met vloeistofdynamica.

"Het slimme van Dr. Scalo's aanpak is dat het informatie over de stromingsfysica gebruikt om de beste tactiek te bepalen voor het berekenen van de stromingsfysica, " zei Matthew Munson, programmamanager Fluid Dynamics bij het Army Research Office, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command.

"Het is een slimme strategie omdat het de oplossingsmethode toepasbaar maakt op een grotere verscheidenheid aan regimes dan veel andere benaderingen. Er is een enorm potentieel om een ​​echte impact te hebben op het ontwerp van voertuigplatforms en wapensystemen waarmee onze soldaten met succes hun missie te volbrengen."

Scalo's team zal Purdue's nieuwste community cluster-supercomputer gebruiken, Klok, om haar onderzoek naar complexe wervelstromen voort te zetten. Het team werkt ook samen met het ministerie van Defensie om het CvP-LES-model toe te passen op grootschalige testgevallen met betrekking tot helikopters zoals helikopters.

"Als je de duizenden gebeurtenissen in flow nauwkeurig kunt simuleren, zoals die van een helikopterblad, je zou veel complexere systemen kunnen ontwerpen, ' zei Scalo.