När du häller grädde i en kopp kaffe, den viskösa vätskan verkar lata spridas genom bägaren. Ta en blandningssked eller sugrör till koppen, fastän, och grädden och kaffet verkar snabbt och sömlöst kombinera till en ljusare färg och, åtminstone för vissa, en roligare dryck.

Vetenskapen bakom denna relativt enkla anekdot talar faktiskt till en större sanning om komplex vätskedynamik och ligger till grund för många av de framsteg som gjorts inom transport, kraftproduktion, och annan teknik sedan industritiden - de till synes slumpmässiga kaotiska rörelserna som kallas turbulens spelar en viktig roll i kemiska och industriella processer som bygger på effektiv blandning av olika vätskor.

Medan forskare länge har studerat turbulenta vätskeflöden, deras inneboende kaotiska natur har hindrat forskare från att utveckla en uttömmande lista över tillförlitliga "regler, "eller universella modeller för att noggrant beskriva och förutsäga turbulens. Denna långa utmaning har lämnat turbulens som en av de sista stora olösta" stora utmaningarna "i fysiken.

Under de senaste åren har högpresterande datorresurser (HPC) har spelat en allt viktigare roll för att få insikt i hur turbulens påverkar vätskor under olika omständigheter. Nyligen, forskare från RWTH Aachen University och forskningsanläggningen CORIA (CNRS UMR 6614) i Frankrike har använt HPC -resurser vid Jülich Supercomputing Center (JSC), ett av de tre HPC -centren som omfattar Gauss Center for Supercomputing (GCS), för att köra högupplösta direkta numeriska simuleringar (DNS) av turbulenta inställningar inklusive jetflammor. Även om det är extremt beräknat dyrt, Turbulensens DNS gör det möjligt för forskare att utveckla bättre modeller för att köra på mer blygsamma datorresurser som kan hjälpa akademiska eller industriella forskare att använda turbulenseffekter på ett givet vätskeflöde.

"Målet med vår forskning är att i slutändan förbättra dessa modeller, särskilt i samband med förbrännings- och blandningsapplikationer, "sa Dr Michael Gauding, CORIA -forskare och forskare om projektet. Teamets senaste arbete fick just namnet det utmärkta papperet från kollokviet "Turbulent Flames", som hände som en del av det 38:e internationella symposiet om förbränning.

Startar och stannar

Trots att det verkar slumpmässigt, kaotiska egenskaper, forskare har identifierat några viktiga egenskaper som är universella, eller åtminstone mycket vanligt, för turbulens under specifika förhållanden. Forskare studerar hur bränsle och luft blandas i en förbränningsreaktion, till exempel, lita på turbulens för att säkerställa en hög blandningseffektivitet. Mycket av den viktiga turbulenta rörelsen kan bero på vad som händer i ett tunt område nära kanten av flamman, där dess kaotiska rörelser kolliderar med de jämnare flödande vätskorna runt den. Detta område, det turbulenta-icke-turbulenta gränssnittet (TNTI), har stora konsekvenser för att förstå turbulent blandning.

När de kör sina DNS -beräkningar, Gauding och hans medarbetare, Mathis Bode från RWTH Aachen, bestämde sig för att specifikt fokusera på detta några av de subtilare, mer komplexa fenomen som äger rum vid TNTI.

Specifikt, forskarna ville bättre förstå de sällsynta men kraftfulla fluktuationerna som kallas "intermittency" - en oregelbunden process som sker lokalt men med mycket hög amplitud. I turbulenta lågor, intermittency ökar blandnings- och förbränningseffektiviteten men för mycket kan också släcka lågan. Forskare skiljer mellan intern intermittency, som förekommer på de minsta skalorna och är ett karakteristiskt drag för alla fullt utvecklade turbulenta flöden, och extern intermittens, som manifesterar sig vid flamkanten och beror på TNTI:s struktur.

Även om du använder HPC-resurser i världsklass, att köra stora DNS -simuleringar av turbulens är beräknat dyrt, eftersom forskare inte kan använda antaganden om flytande rörelse, utan lösa snarare de styrande ekvationerna för alla relevanta skalor i ett givet system - och skalaintervallet ökar med turbulensens "styrka" som kraftlag. Även bland forskare med tillgång till HPC -resurser, simuleringar saknar ofta den nödvändiga upplösningen för att helt lösa intermittency, som förekommer i tunna trånga lager.

För Bode och Gauding, att förstå den småskaliga turbulensen som händer vid lågans tunna gräns är poängen. "Våra simuleringar är mycket lösta och är intresserade av dessa tunna lager, "Sa Bode." För produktionsserier, simuleringsupplösningen är betydligt högre jämfört med liknande DNS -simuleringar för att exakt lösa de starka skurarna som är kopplade till intermittency. "

Forskarna kunde använda superdatorer JUQUEEN, JURECA, och JUWELS vid JSC för att bygga en omfattande databas med turbulenssimuleringar. Till exempel, en simulering kördes i flera dagar på hela JUQUEEN -modulen, sysselsätter alla 458, 752 beräkningskärnor under centrets "Stora veckan" 2019, simulerar ett jetflöde med cirka 230 miljarder nätpunkter.

Blandning och matchning

Med en bättre förståelse för vilken roll intermittency spelar, laget tar data från sina DNS -körningar och använder den för att förbättra mindre beräkningsmässigt krävande stora virvel -simuleringar (LES). Även om det fortfarande är helt korrekt för en mängd olika forskningsmål, LES är någonstans mellan en ab initio -simulering som börjar utan antaganden och en modell som redan har bakat in vissa regler om hur vätskor kommer att bete sig.

Att studera turbulenta jetflammor har konsekvenser för en mängd olika tekniska mål, från rymdteknik till kraftverk. Medan många forskare som studerar vätskedynamik har tillgång till HPC -resurser som de vid JSC, andra gör det inte. LES -modeller kan ofta köras på mer blygsamma datorresurser, och teamet kan använda sina DNS -data för att bättre informera dessa LES -modeller, att göra mindre beräkningsmässigt krävande simuleringar mer exakta. "I allmänhet, nuvarande LES -modeller kan inte exakt redogöra för dessa fenomen i närheten av TNTI, "Sa Gauding.

Teamet kunde skala sin applikation för att dra full nytta av JSC:s datorresurser delvis genom att regelbundet delta i utbildningsevenemang och workshops som hålls på JSC. Trots att redan kunna utnyttja stora mängder HPC -kraft, fastän, teamet inser att denna vetenskapliga utmaning är tillräckligt komplex för att även nästa generations HPC-system som kan nå exaskala prestanda-något mer än dubbelt så snabbt som dagens snabbaste superdator, superdatorn Fugaku på RIKEN i Japan - kanske inte helt kan simulera denna turbulenta dynamik. Dock, varje beräkningsframsteg gör att laget kan öka frihetsgraderna och inkludera ytterligare fysik i sina simuleringar. Forskarna tittar också på att använda mer datadrivna metoder för att inkludera intermittens i simuleringar, liksom att förbättra, utvecklande, och validera modeller baserade på teamets DNS -data.