Arméforskare har utformat en datormodell som mer effektivt beräknar beteendet för atmosfärisk turbulens i komplexa miljöer, inklusive städer, skogar, öknar och bergsområden.

Denna nya teknik kan göra det möjligt för soldater att förutse vädermönster tidigare med hjälp av datorerna och mer effektivt bedöma flygförhållandena för flygbilar på slagfältet.

Turbulens kan vara osynlig för blotta ögat, den är alltid närvarande omkring oss i luften i form av kaotiska förändringar i hastighet och tryck.

Traditionella beräkningsvätskedynamikmetoder för analys av atmosfärisk turbulens behandlar vätskan som ett kontinuum, lösa de olinjära Navier-Stokes differentialekvationer som är inblandade.

Dock, beräkning av turbulensen i planetgränsskiktet, det lägsta lagret av atmosfären, kan vara svårt på grund av hur närvaron av träd, höga byggnader och andra aspekter av landskapet påverkar direkt dess beteende.

TCFD -metoder måste ta hänsyn till alla effekter av de närliggande punkterna som omger målet, vilket skapar en enorm beräkningsbelastning som är mycket svår att implementera effektivt på moderna parallella arkitekturer, t.ex. acceleratorer för grafikprocessor.

Som ett resultat, dessa metoder står ofta inför utmaningar när de konfronteras med mer invecklade miljöer på grund av begränsningar vid behandling av komplexa ytgränser.

I ett försök att söka efter ett alternativt tillvägagångssätt, ett team av forskare från US Army Research Laboratory under ledning av Dr Yansen Wang vände sig till området statistisk mekanik för idéer.

Vad de hittade var Lattice-Boltzmann-metoden, en teknik som används av fysiker och ingenjörer för att förutsäga vätskebeteende i mycket liten skala.

"Lattice-Boltzmann-metoden används normalt för att förutsäga utvecklingen av en liten volym turbulensflöden, men det har aldrig använts för ett område som är så stort som atmosfären, "Sa Wang." När jag läste om det i en forskningsartikel, Jag trodde att den kunde appliceras på inte bara en liten volym turbulens utan även atmosfärisk turbulens. "

Till skillnad från TCFD -metoder, LBM behandlar vätskan som en samling partiklar istället för ett kontinuum och har använts i stor utsträckning i vätskesimulering för att exakt beskriva vätskedynamik.

Wang och hans team bestämde att detta nya tillvägagångssätt exakt skulle kunna modellera atmosfärisk turbulens samtidigt som det kräver mycket mindre beräkning än om de hade löst för NS -differentialekvationerna.

Denna grundläggande förändring tillät dem i huvudsak att bortse från en stor del av de närliggande punkterna på nätmodellen, minska antalet angränsande beteenden för att ta hänsyn till och avsevärt minska beräkningsbelastningen.

Som ett resultat av deras undersökning, forskarna använde den nyutvecklade multi-relaxation-time Lattice-Boltzmann-metoden för att skapa en avancerad Atmospheric Boundary Layer Environment-modell, som specifikt behandlade mycket turbulent flöde i komplexa och urbana områden.

Detta är första gången som en avancerad MRT-LBM-modell har använts för att modellera atmosfären.

Den nyutvecklade ABLE-LBM-modellen banar väg för ett mycket mångsidigt tillvägagångssätt för flödesförutsägelser i atmosfäriskt gränsskikt.

Förutom att ge snabbare driftshastighet och enklare komplex gränsimplementering, detta tillvägagångssätt är inneboende parallellt och därmed kompatibelt med moderna parallella arkitekturer, vilket gör det till en potentiellt livskraftig modelleringsmetod på taktiska beräkningsplattformar för den amerikanska militären.

"På slagfältet, du vill ha atmosfäriska turbulensdata snabbt men du behöver inte nödvändigtvis ha någon superdator till hands, "Sa Wang." Men du har modern datorarkitektur med tusentals processorer som gör datorn snabb om algoritmen är lämplig. Med ABLE-LBM, du kan använda de moderna datorarkitekturerna för att beräkna turbulens på slagfältet utan att behöva ansluta till ett högpresterande datacenter. "

Utvecklingen av ABLE-LBM-modellen har betydande konsekvenser för många andra aspekter av arméoperationer förutom väderprognoser.

Atmosfärisk turbulens kan avsevärt påverka beteendet hos optiska och akustiska vågor, som direkt påverkar vad soldater kan se och höra.

Det kan fungera som en viktig faktor för spaning och ändra vägen som en laser färdas eller hur ljud avges från ett system.

Små obemannade luftsystem är också prisbelönta för turbulensvirvlar, som kan uppstå när ett vindstöt träffar en byggnad.

Att veta hur turbulensen kommer att bete sig kan hjälpa sUAS att undvika kollisioner och till och med dra nytta av befintliga uppdateringar för att flyga utan sina propellrar för att spara energi.

Potentiella tillämpningar kan också hittas utanför militären i det civila livet.

Bättre kunskap om gränslagerturbulens kan hjälpa till med civilplanering i både förberedelse och akutinsatser vid hantering av kemiska spill, industribränder och andra konstgjorda eller naturkatastrofer.

"Många människor är intresserade av att tillämpa denna metod inom olika områden, "Wang sa." Denna teknik har banat ett nytt sätt att modellera atmosfärisk turbulens. Vår forskning var den första som satte vägen för denna nya riktning, så vi har mycket att göra. "

Detaljer om detta genombrott beskrivs i tidningen, "Simulering av skiktade flöden över en ås med en gitter-Boltzmann-modell" av Yansen Wang, Benjamin T. MacCall, Christopher M. Hocut, Xiping Zeng och Harindra J.S. Fernando i tidningen Miljövätskemekanik .