Quando você pensa em turbulência, você pode pensar em uma viagem de avião acidentada. Turbulência, Contudo, é muito mais onipresente em nossas vidas do que apenas viagens aéreas. Ondas do oceano, fumaça de fogo, até mesmo o ruído proveniente de motores a jato ou turbinas eólicas está relacionado à turbulência.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Aerodinâmica (AIA) da RWTH Aachen University há muito tempo está interessada em usar computação para entender a turbulência - um dos maiores mistérios desafiadores da dinâmica dos fluidos - e como ela se relaciona com o ruído das aeronaves, eficiência do combustível, ou o transporte de poluentes, entre outros interesses de pesquisa.

A equipe tem usado o supercomputador Cray XC40 Hazel Hen no High-Performance Computing Center Stuttgart para estudar fluxos multifásicos turbulentos - o movimento de dois materiais em estados diferentes (como sólidos e líquidos) ou materiais no mesmo estado que, por razões químicas, não pode misturar (como óleo e água). A equipe também está trabalhando para melhorar a precisão das simulações de turbulência em computadores mais modestos.

Recentemente, a equipe publicou um artigo no Journal of Fluid Mechanics detalhando seu roteiro para uma melhor modelagem de fluxos multifásicos turbulentos. O trabalho apoia os objetivos interdisciplinares mais amplos da equipe. "Este projeto faz parte de uma unidade de pesquisa maior, onde pesquisamos como tornar as usinas a carvão mais ecologicamente corretas em relação às suas emissões de CO2, "disse o pesquisador do RWTH, Dr. Matthias Meinke.

Durante a combustão, gases se misturam com minúsculos, particulados sólidos, o que significa que simulações realistas podem conter bilhões desses complexos, interações multifásicas. Para lidar com o gigantesco custo computacional associado a tais cálculos enormes, muitos pesquisadores apenas usam modelos para movimento de partículas em um fluxo, reduzindo o custo computacional, simplificando a simulação. Contudo, essas simplificações também podem prejudicar a precisão e, por sua vez, o poder preditivo das simulações.

A equipe RWTH Aachen quer melhorar seus modelos computacionais para levar em conta as pequenas interações que têm um grande impacto em fluxos turbulentos. "Queríamos descobrir um método mais detalhado, necessário para entendermos esses fluxos carregados de partículas quando as partículas são extremamente pequenas, "disse o Prof. Dr. Wolfgang Schröder, Diretor da AIA e colaborador do projeto da equipe. "Essas partículas realmente definem a eficiência do processo geral de combustão, e esse é o nosso objetivo geral porque, de uma perspectiva de engenharia, queremos tornar os modelos que descrevem esses tipos de processos mais precisos. "

Aumentando a escala diminuindo

Essencialmente, turbulência acontece quando um fluxo fica muito animado. Sejam eles líquidos ou gases, todos os fluidos têm alguma forma de viscosidade, que ajuda a encurralar a energia cinética (energia do movimento) em um fluxo. Se a energia em um fluxo for alta, e o fluido não é espesso, ou viscoso, o suficiente para dissipar a energia, o movimento vai de muito ordenado (fluxo laminar) a caótico (fluxo turbulento). Esse caos é passado de escalas maiores para menores até que a viscosidade do fluido mais uma vez ganhe o controle do fluxo, transformando a energia cinética em calor.

A menor escala - onde a energia cinética é transformada em calor e a viscosidade mais uma vez assume o controle do fluxo - é chamada de escala de Kolmogorov.

A equipe queria calcular o fluxo turbulento até a escala de Kolmogorov com o método de dinâmica de fluidos mais preciso possível.

Muitos pesquisadores que estudam problemas de dinâmica de fluidos relacionados à turbulência usam simulações de grande turbilhão (LES) para diminuir o custo computacional, fazendo certas suposições sobre o que acontece nas menores escalas. Contudo, a maneira mais realista de calcular processos turbulentos é usando Simulações Numéricas Diretas (DNS). O DNS permite que os pesquisadores não façam suposições em escalas menores, o que significa que a precisão é melhorada, mas o custo computacional é maior.

Usando Hazel Hen, a equipe conseguiu executar uma simulação de DNS em um sistema de 45, 000 partículas com um tamanho da escala de Kolmogorov. Para o conhecimento da equipe, esta é a maior simulação de partículas nesta escala até hoje, e serve como referência de como outros pesquisadores que estudam esse processo podem obter resultados de simulação mais realistas. Para ter o "melhor dos dois mundos" em relação às partículas da escala de Kolmogorov e às simulações de DNS, a equipe precisava absolutamente de um supercomputador de classe mundial e suporte de classe mundial.

“Considerando o resultado final, não teria sido possível fazer esse tipo de pesquisa - fazer os cálculos e fazer a análise - sem Hazel Hen. Sem esta máquina, não haveria como competir com outros grupos internacionais de pesquisa nesta área, "Schröder disse.

"É complicado fazer tudo funcionar como deveria, especialmente nessas plataformas de grande escala, "Meinke disse." Se quisermos fazer o pós-processamento, precisamos de especialização. Testamos constantemente novos sistemas de arquivos paralelos, porque gravar dados de volta no disco é um grande gargalo. Por todas essas coisas, estamos constantemente em contato e obtemos um apoio valioso da equipe do HLRS. "

Precisão para todos

Com o sucesso de seu DNS em grande escala executado em um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, a equipe agora está voltando sua atenção para melhorar a precisão das simulações de turbulência para pesquisadores que podem não ter acesso a supercomputadores.

A equipe está começando a trabalhar em métodos para integrar os dados recebidos de suas simulações de DNS de forma mais simples, métodos menos intensivos em computação. Isso não só permitirá que a equipe faça mais simulações, isso permitirá simulações muito maiores que podem ser feitas com um grau mais alto de precisão.

Isso não beneficiará apenas os pesquisadores - também beneficiará a indústria. "Temos que verificar nossos modelos simplificados para que sejam válidos, e isso é importante para quem projeta usinas de carvão. Eles têm que usar esses modelos, caso contrário, eles não podem prever com precisão todo o processo, "Disse Meinke. Esses modelos validados permitirão aos pesquisadores prever todo o processo com mais precisão.

Como o Gauss Center for Supercomputing entrega seus sistemas de próxima geração ao HLRS e seus centros parceiros no Jülich Supercomputing Center e no Leibniz Supercomputing Center, Garching perto de Munique, Schröder e Meinke estão entusiasmados em mergulhar em simulações ainda mais complexas.

"Em nosso jornal, consideramos apenas partículas esféricas, "Disse Schröder." Existem outras partículas com uma forma mais parecida com a de agulha, com filamentos finos, e estes são necessários para simular. Precisamos chegar a um modelo melhor e generalizar nossa análise de tal forma que possamos fornecer um modelo que possa ser usado por outros grupos. "