Luftfartens gräns är supersonisk. Militären söker allt snabbare flygplan, flygplan som kan flyga fem gånger ljudets hastighet. Femton år efter Concordes sista transatlantiska flygning, Japan Airlines och Virgin Group investerar i jetplan som kan minska restiden utomlands med mer än hälften.

Men överljudshastigheter medför en mängd designutmaningar. För en sak, ostadiga luftflödesmönster kan generera chockvågor som skadar flygplan. Ingenjörer måste sätta säkerheten först, men de vill också hålla strukturer så lätta som möjligt för att upprätthålla energieffektivitet som minskar bränslekostnaderna.

Forskare hoppas kunna förstå vad som orsakar dessa oregelbundna flöden genom att modellera strategier för att förebygga eller eliminera dem. "Det var inte möjligt förrän de senaste åren att verkligen simulera denna typ av ostadighet eftersom vi saknade datorkraft, " säger Jonathan Poggie, docent vid Purdue University's School of Aeronautics and Astronautics.

Men med stöd från Department of Energys (DOE) INCITE-program (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), Poggie och hans medarbetare i Air Force Research Laboratory har tacklat dessa turbulenta system. Deras INCITE -tilldelning inkluderar 200 miljoner processortimmar på Mira IBM Blue Gene/Q superdator på Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning.

När en flygplansvinge rör sig genom atmosfären, gaser flyter runt den. När luftrörelsen är jämn runt planets konturer, det kallas för bifogat flöde. Dragkraften är låg, Poggie noterar, och hantverket är lätt att kontrollera.

Men flygplan kan genomgå separerat flöde, speciellt vid överljudshastigheter. Detta händer när luft som rör sig längs ytan lossnar och bildar en virvel, en komplicerad, ostadigt tredimensionellt flödesmönster. Dessa fluktuationer inträffar ibland med en låg frekvens som kan ge resonans med flygplanspaneler. Supersoniska hastigheter kan generera chockvågor som upprepade gånger hamrar ett flygplan. "Det finns ett mycket allvarligt problem när man får den här typen av separation i det att det orsakar otroliga flödesfluktuationer, " säger Poggie.

Problemet är inte unikt för de snabbaste militära jetplanen. Överljudsflöde kan bildas runt även en kommersiell jet, som en 747 som flyger med 85 procent av ljudets hastighet. "Vi skulle vilja kunna förutsäga det, kontrollera det och förbättra situationen på flygplan, " säger Poggie.

Liksom andra vätskedynamikproblem, ostadig separation innebär stora beräkningsmässiga utmaningar. Små turbulenta virvlar kan mäta bråkdelar av en millimeter och varar bara tusendelar av en sekund medan flödesstrukturer i flygplansstorlek – upp till 10 meter – kan hålla i en sekund eller mer. "För att fånga upp turbulensen helt, " Poggie säger, "vi måste fånga båda skalorna."

När proportionerna ökar, beräkningsintensiteten ökar också. Att beräkna turbulens på en labbbänk kanske bara kräver en stationär dator. Gå upp till en 747, Poggie säger, och det var omöjligt tills nyligen att lösa alla skalor.

Med deras INCITE -tilldelning, Poggie och hans team modellerade initialt ett klassiskt separationsfall, med en rampliknande struktur med en måttlig lutning och ett område som liknar en vingklaff. Simuleringen erbjöd en jämförelse med vindtunnelförsök som testar flöden runt en flygplansvinge.

För att ta itu med problemet, teamet var först tvungen att optimera algoritmer för att effektivt hantera stora mängder information parallellt på flera processorer. "Vi hade att göra med terabyte med data snarare än gigabyte, " säger Poggie.

Med den nya koden, doktoranden Kevin Porter kunde undersöka flödet när separationsbubblan rörde sig. Simuleringarna avslöjade mönster som inträffar strax före separation. Den lågfrekventa ostadigheten – med egenskaper ungefär lika stora som flygplanet – var kopplad till inkommande flödesrelaterade händelser. Vi har nu en aning om varför lågfrekvent instabilitet uppstår, säger Poggie. Den kunskapen kan tillåta dem att kontrollera beteendet.

Men de insåg att den förenklade rampen också var vilseledande, även i tester. En vindtunnel har sidor, Poggie anteckningar, och virvlar bildas i hörnen. Forskare hade undrat om dessa virvlar var viktiga; de verkar vara.

En sådan virvel kan bromsa flödet, även till subsoniska hastigheter. Att passera den kritiska tröskeln förändrar ljudvågsrörelsen. I överljudshastigheter, ljudvågor flyter endast nedströms, men subsoniskt ljud kan resa uppströms eller nedströms. Den situationen skapar också störningar och ostadighet i flödet.

Forskare har utvecklat två modeller för hur turbulens interagerar med separationsostabilitet, Säger Poggie. I ett scenario kan själva flödet vara en oscillator, upphetsad av fluktuationer som växer. I ett annat scenario, flödet förstärker konstanta inkommande fluktuationer men kan inte svänga på egen hand. "Det visar sig att vi under de senaste åren har funnit att det finns en kombination av dessa två effekter, "Säger Poggie.

Deras arbete retar sig nu när varje enskild situation är viktig, vilket kommer att vara avgörande för att kontrollera dessa störningar. För förstärkare, att lägga till störningar skulle bara göra situationen värre, säger Poggie. Men med oscillatorer, de skulle kunna inkludera ställdon eller ställdonssystem för att motverka de flöden som exciterar störningen.

Gruppen planerar att också modellera separationsflödena runt en mer komplex form:en fena som efterliknar ett flygplans svans, han säger. "En finberäkning kommer att ge oss ett kontrasterande flöde som kommer att ha ett subtilt annorlunda beteende."