Os pesquisadores do Exército desenvolveram um modelo de computador que calcula de forma mais eficaz o comportamento da turbulência atmosférica em ambientes complexos, incluindo cidades, florestas, desertos e regiões montanhosas.

Essa nova tecnologia pode permitir que os soldados prevejam os padrões climáticos mais rapidamente usando os computadores disponíveis e avaliem com mais eficácia as condições de voo dos veículos aéreos no campo de batalha.

A turbulência pode ser invisível a olho nu, está sempre presente ao nosso redor no ar na forma de mudanças caóticas de velocidade e pressão.

Os métodos tradicionais de dinâmica de fluidos computacional para analisar a turbulência atmosférica tratam o fluido como um continuum, resolver as equações diferenciais não lineares de Navier-Stokes que estão envolvidas.

Contudo, calcular a turbulência na camada limite planetária, a camada mais baixa da atmosfera, pode ser difícil devido à forma como a presença de árvores, edifícios altos e outros aspectos da paisagem influenciam diretamente seu comportamento.

Os métodos TCFD devem levar em conta todos os efeitos dos pontos vizinhos ao redor do alvo, que cria uma imensa carga computacional que é muito difícil de implementar de forma eficiente em arquiteturas paralelas modernas, como aceleradores de unidades de processamento gráfico.

Como resultado, esses métodos muitas vezes enfrentam desafios quando confrontados com ambientes mais intrincados devido às limitações no tratamento de limites de superfície complexos.

Na tentativa de buscar uma abordagem alternativa, uma equipe de cientistas do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA liderada pelo Dr. Yansen Wang voltou-se para o campo da mecânica estatística em busca de ideias.

O que eles descobriram foi o método Lattice-Boltzmann, uma técnica usada por físicos e engenheiros para prever o comportamento dos fluidos em uma escala muito pequena.

"O método Lattice-Boltzmann é normalmente usado para prever a evolução de um pequeno volume de fluxos de turbulência, mas nunca foi usado para uma área tão grande quanto a atmosfera, "Disse Wang." Quando li sobre isso em um artigo de pesquisa, Achei que poderia ser aplicado não apenas a um pequeno volume de turbulência, mas também à turbulência atmosférica. "

Ao contrário dos métodos TCFD, o LBM trata o fluido como uma coleção de partículas em vez de um contínuo e tem sido amplamente utilizado na simulação de fluidos para retratar com precisão a dinâmica dos fluidos.

Wang e sua equipe determinaram que esta nova abordagem poderia modelar com precisão a turbulência atmosférica, exigindo muito menos computação do que se eles tivessem resolvido para as equações diferenciais NS.

Esta mudança fundamental essencialmente permitiu que eles desconsiderassem uma grande parte dos pontos vizinhos no modelo de grade, cortar o número de comportamentos vizinhos para compensar e diminuir significativamente a carga computacional.

Como resultado de sua investigação, os pesquisadores usaram o método Lattice-Boltzmann de multi-relaxação recentemente desenvolvido para criar um modelo de ambiente de camada limite atmosférico avançado, que tratou especificamente de fluxos altamente turbulentos em domínios complexos e urbanos.

Isso marca a primeira vez que um modelo MRT-LBM avançado foi usado para modelar a atmosfera.

O modelo ABLE-LBM recém-desenvolvido abre caminho para uma abordagem altamente versátil para a previsão de fluxo da camada limite atmosférica.

Além de fornecer velocidade operacional mais rápida e implementação mais simples de limites complexos, esta abordagem é intrinsecamente paralela e, portanto, compatível com arquiteturas paralelas modernas, tornando-o um método de modelagem potencialmente viável em plataformas de computação tática para os militares dos EUA.

"No campo de batalha, você deseja dados de turbulência atmosférica rapidamente, mas não necessariamente tem supercomputadores disponíveis, "Disse Wang." No entanto, você tem uma arquitetura de computador moderna com milhares de processadores que tornam a computação mais rápida se o algoritmo for apropriado. Com o ABLE-LBM, você pode usar essas arquiteturas de computador modernas para calcular a turbulência no campo de batalha sem ter que se conectar a um centro de computação de alto desempenho. "

O desenvolvimento do modelo ABLE-LBM tem ramificações significativas em muitos outros aspectos das operações do Exército, além da previsão do tempo.

A turbulência atmosférica pode afetar significativamente o comportamento das ondas ópticas e acústicas, que impactam diretamente o que os soldados podem ver e ouvir.

Ele pode atuar como um fator importante no reconhecimento e alterar o caminho que um laser viaja ou como os sons são emitidos por um sistema.

Pequenos sistemas aéreos não tripulados também estão à mercê de vórtices de turbulência, que pode ocorrer quando uma rajada de vento atinge um edifício.

Saber como a turbulência se comportará pode ajudar o SUAS a evitar colisões e até mesmo aproveitar as correntes ascendentes existentes para voar sem suas hélices para economizar energia.

As aplicações potenciais também podem ser encontradas fora das forças armadas na vida civil.

Um melhor conhecimento da turbulência da camada limite pode auxiliar no planejamento civil tanto na preparação quanto na resposta de emergência ao lidar com derramamentos de produtos químicos, incêndios industriais e outras catástrofes naturais ou provocadas pelo homem.

"Muitas pessoas estão interessadas em aplicar este método em vários campos, "Disse Wang." Esta técnica abriu uma nova maneira de modelar a turbulência atmosférica. Nossa pesquisa foi a primeira a definir o caminho para essa nova direção, portanto, temos muito o que provar. "

Os detalhes dessa descoberta são descritos no artigo, "Simulação de fluxos estratificados sobre uma crista usando um modelo de treliça-Boltzmann" por Yansen Wang, Benjamin T. MacCall, Christopher M. Hocut, Xiping Zeng e Harindra J. S. Fernando na revista Mecânica de Fluidos Ambientais .