Detta kan komma som en chock, om du rör dig tillräckligt snabbt. Chocken är chockvågor. En ballons "pop" är chockvågor som genereras av exploderade bitar av ballongen som rör sig snabbare än ljudets hastighet. Supersoniska flygplan genererar en mycket högre ljudmässig högkonjunktur, 'också från chockvågor. Längre ut i kosmos, en kollapsande stjärna genererar chockvågor från partiklar som springer nära ljusets hastighet när stjärnan går supernova. Forskare använder superdatorer för att få en bättre förståelse för turbulenta flöden som interagerar med chockvågor. Denna förståelse kan hjälpa till att utveckla supersoniska och hypersoniska flygplan, effektivare tändning av motorn, samt undersöka mysterierna med supernova -explosioner, stjärnbildning, och mer.

"Vi föreslog ett antal nya sätt på vilka chockturbulensinteraktioner kan förstås, "sa Diego Donzis, docent vid Institutionen för rymdteknik vid Texas A&M University. Donzis var medförfattare till studien, "Chock-turbulensinteraktioner vid hög turbulensintensitet, "publicerad maj 2019 i Journal of Fluid Mechanics . "Vi föreslog att istället för att behandla chocken som en diskontinuitet, man måste ta hänsyn till dess ändliga tjocklek som i verkliga livet som kan vara inblandad som en styrande parameter i, till exempel, förstärkningsfaktorer, "Sa Donzis.

Den dominerande teoretiska ramen för chokturbulensinteraktioner går tillbaka till 1950 -talet, utvecklad av Herbert Ribner vid University of Toronto, Ontario. Hans arbete stödde förståelsen av turbulens och chockerande interaktioner med en linjär, inviscid teori, som antar att chocken är en sann diskontinuitet. Hela problemet kan således reduceras till något matematiskt överförbart, där resultaten endast beror på chockens Mach -nummer, förhållandet mellan en kropps hastighet och ljudets hastighet i det omgivande mediet. När turbulensen går igenom chocken, det förstärks vanligtvis beroende på Mach -numret.

Experiment och simuleringar av Donzis och kollegor föreslog att denna förstärkning också beror på Reynolds -talet, ett mått på hur stark turbulensen är, och det turbulenta Mach -numret. "Vi föreslog en teori som kombinerade alla dessa till en enda parameter, "Sa Donzis." Och när vi föreslog denna teori för ett par år sedan, Vi hade inte bra upplösta data i mycket hög upplösning för att testa några av dessa idéer. "

Ange Stampede2, en 18 petaflop superdator på Texas Advanced Computing Center, del av University of Texas i Austin. Stampede2 är den mest kraftfulla datorn i USA för öppen vetenskaplig forskning, där resultaten görs fritt tillgängliga. Donzis tilldelades beräkningstid på Stampede2 till och med XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment. Både Stampede2 och XSEDE finansieras av National Science Foundation.

"På Stampede2, vi körde en mycket stor datauppsättning av chokturbulensinteraktioner vid olika förhållanden, särskilt vid höga turbulensintensitetsnivåer, med en grad av realism som ligger bortom vad som vanligtvis finns i litteraturen när det gäller upplösning på de små skalorna, när det gäller ordningen på schemat som vi använde, "Sa Donzis." Tack vare Stampede2, vi kan inte bara visa hur förstärkningsfaktorer skala, men också under vilka förutsättningar vi förväntar oss att Ribners teori håller, och under vilka förhållanden vår tidigare föreslagna skalning är den mer lämpliga. "

Studiens huvudförfattare Chang Hsin Chen tillade att, "Vi tittade också på chockens struktur och genom högupplösta simuleringar, vi kunde förstå hur turbulens skapar hål på chocken. Detta var bara möjligt på grund av beräkningskraften från Stampede2. "Chen är en postdoktor vid National Aerothermochemistry Laboratory vid Texas A&M University. Hans forskning fokuserar på komprimerbar turbulens och chockvågor, och högpresterande beräkningsvätskedynamik.

Donzis fortsatte att "Stampede2 tillåter oss att köra simuleringar, några av dem på oöverträffade nivåer av realism, i synnerhet den småskaliga upplösning som vi behöver för att studera processer i de mycket små skalorna av turbulenta flöden. Några av dessa simuleringar körs på hälften av maskinen, eller mer, och ibland tar det månader att köra. "

Vad mer, forskarna utforskade också de så kallade chockhoppen, som är plötsliga förändringar i tryck och temperatur när materia rör sig över en chock. "I denna studie utvecklade och testade vi en ny teoretisk ram för att förstå, till exempel, varför en annars stationär chock börjar röra sig när det inkommande flödet är turbulent, "Säger Donzis. Detta innebär att den inkommande turbulensen djupt förändrar chocken." Teorin förutspår, och simuleringarna på Stampede2 bekräftar att tryckhöjningarna ändras, och hur de gör det när det inkommande flödet är turbulent. Detta är en effekt som faktiskt inte redovisas i Ribners seminalarbete, men nu kan vi förstå det kvantitativt, "Sa Donzis.

Att göra framsteg i förståelsen när turbulens möter chocker var inte lätt. Extrem upplösning i storleksordningen miljarder nätpunkter behövs för att fånga de skarpa lutningarna av en chock vid högt Reynolds -antal. "Även om vi är begränsade av hur mycket vi kan skjuta parameterintervallet på Stampede2 eller någon annan dator för den delen, vi har kunnat täcka ett mycket stort utrymme i detta parameterutrymme, spänner över parameterintervall utöver vad som har gjorts tidigare, "Sa Donzis.

In-/utgången (I/O) visade sig också vara utmanande att skriva data till disken vid mycket stora kärnvärden. "Detta är ett exempel där vi utnyttjade Extended Collaborative Support Services (ECSS) från XSEDE, och vi kunde framgångsrikt optimera vår strategi, "Donzis sa." Vi är nu övertygade om att vi kan fortsätta att öka storleken på våra simuleringar med den nya strategin och fortsätta göra I/O till en rimlig beräkningskostnad. "

Donzis är ingen främling för XSEDE, som han använde för år tillbaka när den hette Teragrid, att utveckla sin grupps koder - från och med LeMieux -systemet vid Pittsburgh Supercomputing Center; Blue Horizon på San Diego Supercomputer Center; Kraken vid National Institute for Computational Sciences; och nu på Stampede1 och Stampede2 på TACC.

"Ett antal av de framgångar vi har idag beror på det fortsatta stödet från XSEDE, och Teragrid, för det vetenskapliga samfundet. Den forskning vi kan göra idag och alla framgångshistorier är delvis resultatet av det vetenskapliga samfundets och finansieringsorganens kontinuerliga engagemang för att upprätthålla en cyberinfrastruktur som gör att vi kan hantera de största vetenskapliga och tekniska utmaningar vi står inför och kan möta i framtiden. Detta gäller inte bara för min grupp, men kanske också för resten av det vetenskapliga datorsamhället i USA. Jag tror att XSEDE -projektet och dess föregångare i denna mening har varit en enorm möjliggörare, "Sa Donzis.

Donzis är övertygad om att framsteg inom högpresterande datorer (HPC) direkt leder till fördelar för hela samhället. "Varje påverkan på HPC kommer att få konsekvenser för transporter, industriella processer, tillverkning, försvar, i huvudsak vanliga människors vardag, eftersom de flesta av våra liv är fyllda med tekniska produkter och tjänster som vid något tillfälle drar nytta av numeriska beräkningar av olika skalor, "Sade Donzis. Och framsteg i förståelsen av turbulens påverkar ett brett spektrum av applikationer, han lade till.

Donzis sa:"Framsteg i förståelsen av interaktioner med chokturbulens kan leda till supersonisk och hypersonisk flykt, att göra dem till verklighet för människor att flyga på några timmar härifrån till Europa; utforskning av rymden; och till och med vår förståelse av strukturen i det observerbara universum. Det kan hjälpa att svara, varför är vi här? Mer ner till jorden, förstå turbulens i komprimerbara flöden kan leda till stora förbättringar av förbränningseffektiviteten, dragreducering och allmän transport. "