När du tänker på turbulens, du kanske tänker på en ojämn flygresa. Turbulens, dock, är mycket mer allestädes närvarande i våra liv än bara flygresor. Havsvågor, rök från eld, även buller från jetmotorer eller vindkraftverk är alla relaterade till turbulens.

Ett team av forskare vid RWTH Aachen University's Institute of Aerodynamics (AIA) har länge varit intresserade av att använda beräkningar för att förstå turbulens - ett av vätskedynamikens stora utmanande mysterier - och hur det relaterar till flygplansbuller, bränsleeffektivitet, eller transport av föroreningar, bland andra forskningsintressen.

Teamet har använt Cray XC40 Hazel Hen superdator vid High-Performance Computing Center Stuttgart för att studera turbulenta flerfasflöden-rörelse av två material i olika tillstånd (t.ex. fasta ämnen och vätskor) eller material i samma tillstånd som, av kemiska skäl, kan inte blandas (t.ex. olja och vatten). Teamet arbetar också med att förbättra noggrannheten i turbulenssimuleringar på mer blygsamma datorer.

Nyligen, laget publicerade ett papper i Journal of Fluid Mechanics beskriver sin färdplan för bättre modellering av turbulenta flerfasflöden. Arbetet stöder teamets större tvärvetenskapliga mål. "Detta projekt är en del av en större forskningsenhet där vi forskar om hur man kan göra kolkraftverk mer miljövänliga vad gäller deras CO2-utsläpp, " sa RWTH-forskaren Dr Matthias Meinke.

Under förbränningen, gaser blandas med små, fasta partiklar, vilket innebär att realistiska simuleringar kan innehålla miljarder av dessa komplexa, flerfasinteraktioner. För att hantera den gigantiska beräkningskostnaden som är förknippad med sådana enorma beräkningar, många forskare använder bara modeller för partikelrörelse i ett flöde, sänka beräkningskostnaden genom att förenkla simuleringen. Dock, dessa förenklingar kan också skada noggrannheten och i tur och ordning, simuleringarnas förutsägande kraft.

RWTH Aachen -teamet vill förbättra sina beräkningsmodeller för att ta hänsyn till de små interaktioner som har stor inverkan på turbulenta flöden. "Vi ville ta reda på en mer detaljerad metod som är nödvändig för att vi ska förstå dessa partikelbelastade flöden när partiklarna är extremt små, "sade prof. dr. Wolfgang Schröder, AIA-direktör och samarbetspartner i teamets projekt. "Dessa partiklar definierar faktiskt effektiviteten i den totala förbränningsprocessen, och det är vårt övergripande mål eftersom, ur ett teknikperspektiv, vi vill göra modellerna som beskriver dessa typer av processer mer exakta. "

Skala upp genom att skala ner

Väsentligen, turbulens händer när ett flöde blir för upphetsat. Vare sig det är vätskor eller gaser, alla vätskor har någon form av viskositet, vilket hjälper till att korralera rörelseenergin (rörelseenergin) i ett flöde. Om energin i ett flöde är hög, och vätskan är inte tjock, eller trögflytande, tillräckligt för att skingra energin, rörelsen går från mycket ordnat (laminärt flöde) till kaotiskt (turbulent flöde). Detta kaos överförs från större till mindre skalor tills vätskans viskositet återigen får kontroll över flödet genom att förvandla rörelseenergin till värme.

Den minsta skalan - där rörelseenergin omvandlas till värme och viskositeten åter tar kontroll över flödet - kallas Kolmogorov -skalan.

Teamet ville beräkna det turbulenta flödet upp till Kolmogorov-skalan med den mest exakta vätskedynamikmetoden som möjligt.

Många forskare som studerar vätskedynamikproblem relaterade till turbulens använder Large-Eddy Simulations (LES) för att minska beräkningskostnaden genom att göra vissa antaganden om vad som händer i de minsta skalorna. Dock, det mest realistiska sättet att beräkna turbulenta processer är att använda Direct Numerical Simulations (DNS). DNS tillåter forskare att inte göra några antaganden i mindre skalor, vilket innebär att noggrannheten förbättras, men beräkningskostnaden är högre.

Använda Hazel Hen, laget kunde köra en DNS -simulering på ett system på 45, 000 partiklar med en storlek av Kolmogorov -skalan. Till teamets kunskap, detta är den största simuleringen av partiklar i denna skala hittills, och fungerar som riktmärke för hur andra forskare som studerar denna process kan få mer realistiska simuleringsresultat. För att få det "bästa av två världar" i förhållande till Kolmogorov-skalpartiklarna och DNS-simuleringarna, laget måste absolut ha en superdator i världsklass och support i världsklass.

"Med tanke på det slutliga resultatet, det hade inte varit möjligt att göra denna typ av forskning - att utföra beräkningarna och göra analysen - utan Hazel Hen. Utan denna maskin, det skulle inte finnas något sätt att konkurrera med andra internationella forskargrupper på detta område, "Sa Schröder.

"Det är svårt att få allt att fungera som det ska, särskilt på sådana storskaliga plattformar, "Sa Meinke." Om vi ​​vill göra efterbehandling, vi behöver specialisering. Vi testar ständigt nya parallella filsystem, eftersom att skriva tillbaka data till disken är en stor flaskhals. För alla dessa saker, vi är ständigt i kontakt med och får värdefullt stöd från HLRS-personalen."

Noggrannhet för alla

Med framgången för dess storskaliga DNS körs på en av världens snabbaste superdatorer, laget vänder nu uppmärksamheten mot att förbättra noggrannheten i turbulenssimuleringar för forskare som kanske inte har tillgång till superdatorer.

Teamet börjar arbeta på metoder för att integrera data de fått från sina DNS-simuleringar till enklare, mindre beräkningsmässigt intensiva metoder. Detta kommer inte bara att göra det möjligt för laget att göra fler simuleringar, det kommer att möjliggöra mycket större simuleringar som kan göras med en högre grad av noggrannhet.

Detta kommer inte bara att gynna forskarna - det kommer också att gynna industrin. "Vi måste verifiera våra förenklade modeller så att de är giltiga, och det är viktigt för människor som konstruerar kolkraftverk. De måste använda sådana modeller, annars kan de inte exakt förutsäga hela processen, "Sade Meinke. Dessa validerade modeller gör det möjligt för forskarna att förutsäga hela processen mer exakt.

Eftersom Gauss Center for Supercomputing levererar sina nästa generationssystem till HLRS och dess partnercenter vid Jülich Supercomputing Center och Leibniz Supercomputing Centre, Garcher nära München, Schröder och Meinke är glada över att dyka in i ännu mer komplexa simuleringar.

"I vårt papper, vi betraktar bara sfäriska partiklar, " sa Schröder. "Det finns andra partiklar med en mer nålliknande form med tunna filament, och dessa är nödvändiga för att simulera. Vi måste komma på en bättre modell och generalisera vår analys på ett sådant sätt att vi kan tillhandahålla en modell som kan användas av andra grupper. "