Under 2018, passagerare ombord på ett flyg till Australien upplevde en skrämmande 10-sekunders nosedive när en virvel efter deras plan korsade in i spåret av en annan flygning. Kollisionen av dessa virvlar, flygbolaget misstänkte, skapat våldsam turbulens som ledde till ett fritt fall.

För att hjälpa till att designa flygplan som bättre kan manövrera i extrema situationer, Forskare från Purdue University har utvecklat en modelleringsmetod som simulerar hela processen med en virvelkollision på en reducerad beräkningstid. Denna fysikkunskap kan sedan införlivas i tekniska designkoder så att flygplanet svarar på lämpligt sätt.

De simuleringar som flygplansdesigners för närvarande använder fångar bara en del av virvelkollisionshändelser och kräver omfattande databehandling på en superdator. Att inte enkelt kunna simulera allt som händer när virvlar kolliderar har begränsade flygplansdesigner.

Med mer realistiska och kompletta simuleringar, ingenjörer skulle kunna designa flygplan som stridsflygplan som kan göra mer abrupta manövrar eller helikoptrar som kan landa säkrare på hangarfartyg, sa forskarna.

Maskinteknikprofessor Carlo Scalo och hans forskargrupp använder superdatorer för att utveckla modeller som effektivt simulerar virvelflödesfenomen.

"Flygplan under extrema förhållanden kan inte förlita sig på enkel modellering, sa Carlo Scalo, en Purdue docent i maskinteknik med en artighetsutnämning inom flygteknik och astronautik.

"Bara för att felsöka några av dessa beräkningar kan det ta att köra dem på tusen processorer i en månad. Du behöver snabbare beräkning för att göra flygplanskonstruktion."

Ingenjörer skulle fortfarande behöva en superdator för att köra modellen som Scalos team utvecklade, men de skulle kunna simulera en virvelkollision på ungefär en tiondel till en hundradel av tiden med mycket mindre beräkningsresurser än de som vanligtvis krävs för storskaliga beräkningar.

Forskarna kallar modellen för en "Coherent-virticity-Preserving (CvP) Large-Eddy Simulation (LES)." Den fyraåriga utvecklingen av denna modell sammanfattas i en artikel publicerad i Journal of Fluid Mechanics .

"CvP-LES-modellen är kapabel att fånga superkomplex fysik utan att behöva vänta en månad på en superdator eftersom den redan innehåller kunskap om fysiken som beräkningar i extrem skala skulle behöva reproducera noggrant, "Sa Scalo.

Den tidigare postdoktorale forskaren i Purdue Jean-Baptiste Chapelier ledde den tvååriga processen med att bygga modellen. Xinran Zhao, en annan Purdue-postdoktor i projektet, genomfört komplex, storskaliga beräkningar för att bevisa att modellen är korrekt. Dessa beräkningar gjorde det möjligt för forskarna att skapa en mer detaljerad representation av problemet, använder mer än en miljard poäng. För jämförelse, en 4K-tv med ultrahög upplösning använder cirka 8 miljoner punkter för att visa en bild.

Bygger på detta grundarbete, forskarna tillämpade CvP-LES-modellen på kollisionshändelserna av två virvelrör som kallas trefoil knutna virvlar som är kända för att följa vingarna på ett plan och "dansa" när de återansluter.

Denna dans är extremt svår att fånga.

"När virvlar kolliderar, det finns en sammandrabbning som skapar mycket turbulens. Det är väldigt svårt beräkningsmässigt att simulera eftersom du har en intensiv lokaliserad händelse som händer mellan två strukturer som ser ganska oskyldiga och händelselösa ut tills de kolliderar, sa Scalo.

Använder Brown superdator på Purdue för medelstora beräkningar och försvarsdepartementets faciliteter för storskaliga beräkningar, laget bearbetade data om de tusentals händelser som äger rum när dessa virvlar dansar och byggde in den fysiska kunskapen i modellen. De använde sedan sin turbulensmodell för att simulera hela kollisionsdansen.

Ingenjörer kunde helt enkelt köra den färdiga modellen för att simulera virvlar över hur lång tid som helst för att bäst likna vad som händer runt ett flygplan, sa Scalo. Fysiker kan också krympa modellen för vätskedynamikexperiment.

"Det som är riktigt smart med Dr. Scalos tillvägagångssätt är att den använder information om flödesfysiken för att bestämma den bästa taktiken för att beräkna flödesfysiken, "sade Matthew Munson, programledare för Fluid Dynamics på Army Research Office, en del av US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

"Det är en smart strategi eftersom den gör lösningsmetoden tillämpbar på ett större antal regimer än många andra tillvägagångssätt. Det finns en enorm potential för att detta ska ha en verklig inverkan på utformningen av fordonsplattformar och vapensystem som kommer att göra det möjligt för våra soldater att framgångsrikt utföra sina uppdrag."

Scalos team kommer att använda Purdues senaste superdator för communitykluster, Klocka, att fortsätta sin undersökning av komplexa virvelflöden. Teamet arbetar också med försvarsdepartementet för att tillämpa CvP-LES-modellen på storskaliga testfall som gäller rotorbåtar som helikoptrar.

"Om du kan exakt simulera de tusentals händelserna i flöde som de som kommer från en helikopterblad, du kan konstruera mycket mer komplexa system, sa Scalo.