Als je room in een kopje koffie giet, de stroperige vloeistof lijkt zich lui door de beker te verspreiden. Neem een ​​menglepel of rietje in de beker, Hoewel, en de room en koffie lijken snel en naadloos te combineren tot een lichtere kleur en, althans voor sommigen, een lekkerder drankje.

De wetenschap achter deze relatief eenvoudige anekdote spreekt eigenlijk tot een grotere waarheid over complexe vloeistofdynamica en ondersteunt veel van de vorderingen die zijn gemaakt in transport, stroomopwekking, en andere technologieën sinds het industriële tijdperk - de schijnbaar willekeurige chaotische bewegingen die bekend staan ​​als turbulentie spelen een vitale rol in chemische en industriële processen die afhankelijk zijn van een effectieve vermenging van verschillende vloeistoffen.

Hoewel wetenschappers lang turbulente vloeistofstromen hebben bestudeerd, hun inherente chaotische aard hebben onderzoekers verhinderd een uitputtende lijst van betrouwbare "regels, " of universele modellen voor het nauwkeurig beschrijven en voorspellen van turbulentie. Deze grote uitdaging heeft ervoor gezorgd dat turbulentie een van de laatste grote onopgeloste "grote uitdagingen" in de natuurkunde is.

In recente jaren, high-performance computing (HPC)-bronnen hebben een steeds belangrijkere rol gespeeld bij het verkrijgen van inzicht in hoe turbulentie vloeistoffen onder verschillende omstandigheden beïnvloedt. Onlangs, onderzoekers van de RWTH Aachen University en de CORIA (CNRS UMR 6614) onderzoeksfaciliteit in Frankrijk hebben HPC-bronnen gebruikt in het Jülich Supercomputing Center (JSC), een van de drie HPC-centra die het Gauss Center for Supercomputing (GCS) vormen, om directe numerieke simulaties (DNS) met hoge resolutie van turbulente opstellingen, waaronder jetflames, uit te voeren. Hoewel extreem rekenkundig duur, DNS van turbulentie stelt onderzoekers in staat betere modellen te ontwikkelen om te draaien op meer bescheiden computerbronnen die academische of industriële onderzoekers kunnen helpen om de effecten van turbulentie op een bepaalde vloeistofstroom te gebruiken.

"Het doel van ons onderzoek is om deze modellen uiteindelijk te verbeteren, specifiek in het kader van verbrandings- en mengtoepassingen, " zei Dr. Michael Gauding, CORIA wetenschapper en onderzoeker op het project. Het recente werk van het team heette zojuist het vooraanstaande artikel van het "Turbulent Flames"-colloquium, die plaatsvond als onderdeel van het 38e Internationale Symposium over Verbranding.

Start en stopt

Ondanks dat het schijnbaar willekeurig is, chaotische kenmerken, onderzoekers hebben enkele belangrijke eigenschappen geïdentificeerd die universeel zijn, of in ieder geval heel gewoon, voor turbulentie onder specifieke omstandigheden. Onderzoekers bestuderen hoe brandstof en lucht zich vermengen in een verbrandingsreactie, bijvoorbeeld, vertrouwen op turbulentie om een ​​hoge mengefficiëntie te garanderen. Veel van die belangrijke turbulente beweging kan voortkomen uit wat er gebeurt in een dun gebied nabij de rand van de vlam, waar zijn chaotische bewegingen botsen met de soepeler stromende vloeistoffen eromheen. Dit gebied, de turbulente-niet-turbulente interface (TNTI), heeft grote implicaties voor het begrijpen van turbulente menging.

Tijdens het uitvoeren van hun DNS-berekeningen, Gauding en zijn medewerker, Mathis Bode van RWTH Aken, uiteengezet om hier specifiek op te focussen, enkele van de subtielere, meer complexe fenomenen die plaatsvinden bij het TNTI.

specifiek, de onderzoekers wilden de zeldzame maar krachtige fluctuaties die 'intermittency' worden genoemd, beter begrijpen - een onregelmatig proces dat lokaal plaatsvindt maar met een zeer hoge amplitude. In turbulente vlammen, Intermittency verbetert de meng- en verbrandingsefficiëntie, maar te veel kan ook de vlam doven. Wetenschappers maken onderscheid tussen interne intermitterende die op de kleinste schalen voorkomt en een kenmerkend kenmerk is van elke volledig ontwikkelde turbulente stroming, en externe intermitterend, die zich manifesteert aan de rand van de vlam en afhankelijk is van de structuur van de TNTI.

Zelfs met HPC-bronnen van wereldklasse, het uitvoeren van grote DNS-simulaties van turbulentie is rekenkundig duur, omdat onderzoekers geen aannames over de vloeiende beweging kunnen gebruiken, maar los eerder de heersende vergelijkingen op voor alle relevante schalen in een bepaald systeem - en het schaalbereik neemt toe met de "sterkte" van turbulentie als machtswet. Zelfs onder onderzoekers met toegang tot HPC-bronnen, simulaties missen vaak de noodzakelijke resolutie om intermitterendheid volledig op te lossen, die voorkomt in dunne opgesloten lagen.

Voor Bode en Gauding, het gaat erom de kleinschalige turbulentie te begrijpen die plaatsvindt aan de dunne grens van de vlam. "Onze simulaties zijn zeer goed opgelost en zijn geïnteresseerd in deze dunne lagen, " zei Bode. "Voor productieruns, de simulatieresolutie is aanzienlijk hoger in vergelijking met vergelijkbare DNS-simulaties om de sterke bursts die verband houden met intermittering nauwkeurig op te lossen."

De onderzoekers konden de supercomputers JUQUEEN gebruiken, JUREKA, en JUWELS bij JSC om een ​​uitgebreide database met turbulentiesimulaties te bouwen. Bijvoorbeeld, één simulatie werd meerdere dagen uitgevoerd op de volledige JUQUEEN-module, alle 458 in dienst, 752 rekenkernen tijdens de "Big Week" van het centrum in 2019, simuleren van een straalstroom met ongeveer 230 miljard rasterpunten.

Mixen en matchen

Met een beter begrip van de rol die intermitterendheid speelt, het team haalt gegevens uit hun DNS-runs en gebruikt deze om minder rekenintensieve grote eddy-simulaties (LES) te verbeteren. Hoewel nog steeds perfect nauwkeurig voor een verscheidenheid aan onderzoeksdoeleinden, LES bevinden zich ergens tussen een ab initio-simulatie die begint zonder aannames en een model dat al bepaalde regels heeft ingebakken over hoe vloeistoffen zich zullen gedragen.

Het bestuderen van turbulente straalvlammen heeft implicaties voor een verscheidenheid aan technische doelen, van ruimtevaarttechnologie tot energiecentrales. Hoewel veel onderzoekers die vloeistofdynamica bestuderen toegang hebben tot HPC-bronnen zoals die bij JSC, anderen doen niet. LES-modellen kunnen vaak draaien op meer bescheiden computerbronnen, en het team kan hun DNS-gegevens gebruiken om deze LES-modellen beter te informeren, het nauwkeuriger maken van simulaties die minder rekenintensief zijn. "In het algemeen, huidige LES-modellen zijn niet in staat om deze fenomenen in de buurt van de TNTI nauwkeurig te verklaren, ' zei Gauding.

Het team was in staat om de toepassing op te schalen om volledig te profiteren van JSC-computerbronnen, gedeeltelijk door regelmatig deel te nemen aan trainingsevenementen en workshops die bij JSC werden gehouden. Ondanks dat we al grote hoeveelheden HPC-vermogen kunnen benutten, Hoewel, het team erkent dat deze wetenschappelijke uitdaging zo complex is dat zelfs HPC-systemen van de volgende generatie in staat zijn om exascale prestaties te bereiken - iets meer dan twee keer zo snel als de snelste supercomputer van vandaag, de Fugaku-supercomputer bij RIKEN in Japan - is mogelijk niet in staat om deze turbulente dynamiek volledig te simuleren. Echter, elke computationele vooruitgang stelt het team in staat om de vrijheidsgraden te vergroten en extra fysica in hun simulaties op te nemen. De onderzoekers kijken ook naar het gebruik van meer datagestuurde benaderingen voor het opnemen van intermitterende simulaties, evenals het verbeteren, ontwikkelen, en valideren van modellen op basis van de DNS-gegevens van het team.