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      超級計算機幫助科學家探測漩渦和湍流


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      漩渦似乎深奧的主題。 但其影響并成為頭條新聞,最近爆發的龍卷風,漩渦,造成至少80人死亡在2021年12月在美國八個州。 今天科學家們還不完全了解渦旋的動力學,混亂但相干模式中常見的自然也以颶風,漩渦流的空氣和水,空氣動力阻力,燃料燃燒等等。

      在德克薩斯理工大學科學家最近的研究中,超級計算機模擬正在幫助科學家深入探究漩渦和湍流的神秘特征。他們的研究可能會有助于提高汽車的燃油效率,幫助開發節能飛機設計,等等。

      他們的漩渦研究發表在2022年1月的《流體力學年鑒》上?!斑@項研究的一個好處是,我們發現,當兩個相反的有符號渦聚集在一起時,它們將重新連接并重新組合,形成兩個新的渦,剩下的一些未連接部分作為螺紋,可以進一步進行連續的重新連接?!痹撗芯康闹饕髡?、德克薩斯理工大學機械工程系博士后研究員姚杰說。

      渦旋重聯

      “我們聲稱,漩渦重聯是大多數湍流級聯、流體混合和空氣動力噪聲產生背后的本質,”該研究的合著者、德克薩斯理工大學校長的高級顧問、工程、科學和醫學特聘主席法茲爾·侯賽因說。侯賽因是姚的顧問,也是機械工程、物理、化學工程、石油工程、內科、細胞生理學和分子生物物理學系的教授。

      侯賽因舉了一個例子,說明飛機的兩條尾跡中存在渦旋重聯。在適當的大氣條件下,旋轉的雙尾隨渦重新連接成渦環,從而形成湍流。

      侯賽因說:“當漩渦重新連接時,它們會產生兩個大結構加上許多小規模結構?!??!白畛?,你在實驗室的可視化中看到一些煙霧。但當兩個漩渦被拉扯并分開時,它們會拉扯這些線,最終消散。這些細節只有通過超級計算機的數值模擬才能得到?!?/span>

      求解渦旋方程的超級計算機

      為審查研究,姚和侯賽因被授予超級計算機訪問德克薩斯先進計算中心的StaveCube系統,由國家科學基金(NSF)資助的極端科學和工程發現環境XSEDE。此外,他們還利用了XSEDE的擴展協作支持服務(ECSS)項目,該項目為研究人員提供了充分利用超級計算機時間的專業知識。

      姚說:“圣地亞哥超級計算機中心的Manu Shantaram通過XSEDE ECSS幫助我們分析代碼。我們與他進行了良好的聯系和討論,他在分析代碼和發現問題方面做得很好,這提高了代碼的性能?!?。

      “我們從XSEDE項目中受益匪淺,從TACC中受益更多,TACC的工作人員幫助我們解決技術問題和問題,”姚補充道?!癟ACC為我們提供的不僅僅是Stampede2。除了新的Lonestar6,TACC還授予我們訪問Frontera和Lonestar5系統的權限?!?/span>

      姚和侯賽因在德克薩斯理工大學高性能計算中心(HPCC)利用了XSEDE、TACC及其本地集群的強大超級計算能力?;旧暇褪且釴avier-Stokes方程,它描述了空氣、水等流體的運動。他們的直接數值模擬已經產生了高度時間和空間分辨率、精確的測量分布,如速度、渦度或流體旋轉、擬能性——一個與渦的能量耗散、螺旋度、溫度和標量濃度有關的術語。

      峰值渦度和擬能性的增長都解決了一個非?;镜臄祵W問題,這與克萊數學研究所提出的一個百萬美元的問題有關,該研究所已承諾為正確解決幾個千年獎問題中的一個問題提供資金。

      這個問題與Navier-Stokes方程的有限時間奇點(FTS)的形成有關,這個問題可以表述為,在給定有限動能的初始瞬時光滑速度場時,在不可壓縮Navier-Stokes方程的控制下,場的奇異性在有限時間內出現。


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