En del av en stigande termisk väggplym avslöjar den invecklade strukturen hos luftvirvlar. Varje rör representerar en annan turbulent virvel. Kredit:Sivaramakrishnan Balachandar
I en av de mest intensiva användningarna hittills av University of Floridas HiPerGator-superdator, har UF-ingenjörer troget återgett turbulensen och komplexiteten hos varm luft som stiger upp längs en vägg - en tidigare omöjlig simulering med tillämpningar inom brandsäkerhet i hemmet och uppvärmning och kylning.
En sådan finkornig och detaljerad simulering av så kallade termiska väggplymer har inte varit möjlig tidigare på grund av komplexiteten i luftrörelserna. Men tack vare dedikerad användning av 90 % av HiPerGators AI-kluster under flera dagar, kunde forskargruppen under ledning av UF-ingenjörsprofessor Sivaramakrishnan Balachandar spåra turbulenta luftvirvlar som vrider sig och virvlar på submillimeternivå.
"Vi använde nästan hela HiPerGator AI-klustret för att lösa ett problem som hittills inte har lösts i vår community på denna detaljnivå," sa Balachandar. "Turbulent flöde är en av de stora utmaningarna inom vetenskap och teknik. Turbulens påverkar oss överallt, från flygplanets prestanda, till orkanspår och vulkaniska plymer."
Termiska väggplymer uppstår när varm, flytande luft stiger upp längs en vertikal yta. Denna process äger rum under husbränder och kan sprida bränder snabbt om de inte stoppas. Men mindre destruktiva termiska väggplymer inträffar varje dag när uppvärmd eller kyld luft stiger eller sjunker längs väggarna i inre utrymmen. Mycket liknande processer förklarar lerskred och sedimentbelastade strömmar – plymer vände på sidan.
Många forskare har studerat termiska plymer experimentellt, men detta kräver att man bygger dyra testplatser och begränsas av antalet sensorer som kan placeras på en vägg. Dessa sensorer påverkar också själva mätningarna som görs, vilket gör data leriga.
Datormodeller av termiska väggplymer löser många av problemen med verkliga experiment, men de typer av simuleringar som kan köras på en daglig dator är suddig och lågupplöst. Den millimeter-för-millimeter-skalan som Balachandars team uppnår kräver resurserna hos en kraftfull superdator.
Forskarna designade sin simulering för att replikera luftrörelser i ett riktigt hem. Praktiskt taget introducerade de varm luft längst ner på en vägg längs golvlisten och såg hur den utvecklades med tiden när den steg. Det simulerade huset hade vertikala väggar och taklinjer med olika sluttningar längs vilka de termiska plymerna utvecklades, precis som vad som skulle inträffa i ett riktigt hem.
Tillsammans med verkliga experiment och teorier utgör den här typen av simuleringar en viktig pelare för vetenskapliga upptäckter, säger Balachandar.
"Med hjälp av datorer löser vi Moder Natur, och vad datorsimuleringen ger oss är oöverträffad tillgång till alla detaljer om vad som händer inuti. Med vår simulering kan vi gå in i väggplymen och se varje skrymsle och vrår," sa Balachandar.
Totalt sett spårade forskarna nästan 100 miljarder komponenter, såsom hastighet, tryck och temperatur, över en kvarts miljon ögonblick i tiden. Arbetet krävde 125 av de 140 noderna i HiPerGator AI-klustret. Varje nod är värd för åtta GPU:er och 128 processorer, som var och en utför olika typer av beräkningar. Balachandars team optimerade sin kod för att köras på NVIDIA GPU:er som driver AI-klusternoderna, vilket ytterligare förbättrade prestandan för deras simulering.
Dessa typer av detaljerade simuleringar faller också ner mot praktiska tillämpningar. Till exempel använder ingenjörer mycket enklare modeller – med möjligen felaktiga antaganden inbakade – för att hjälpa dem att designa och förstå hemuppvärmningssystem eller brandkoder. Att förbättra dessa modeller kan göra dessa konstruktioner bättre.
"Nu kan vi testa befintliga modeller och ta reda på var de kommer till korta. Vi planerar att använda artificiell intelligens för att analysera våra terabyte av data och hjälpa oss att utveckla bättre modeller för människor att använda," sa Balachandar. + Utforska vidare
