Uma nova estrutura teórica foi desenvolvida e testada usando o supercomputador Stampede2 para entender saltos turbulentos de quantidades termodinâmicas médias, estrutura de choque e fatores de amplificação. A turbulência vem da esquerda nesta imagem, acertando o choque, e deixando o domínio da direita. Esta imagem tridimensional mostra a estrutura da enstrofia e é colorida pelo número de Mach local com o choque em cinza. Crédito:Chang-Hsin Chen, TAMU.
Isso pode ser um choque, se você estiver se movendo rápido o suficiente. O choque é ondas de choque. O 'estouro' de um balão são ondas de choque geradas por pedaços explodidos do balão movendo-se mais rápido do que a velocidade do som. Aviões supersônicos geram um estrondo sônico muito mais alto, 'também de ondas de choque. Mais longe no cosmos, uma estrela em colapso gera ondas de choque de partículas correndo perto da velocidade da luz enquanto a estrela se transforma em supernova. Os cientistas estão usando supercomputadores para compreender melhor os fluxos turbulentos que interagem com as ondas de choque. Esse entendimento pode ajudar a desenvolver aeronaves supersônicas e hipersônicas, ignição do motor mais eficiente, bem como sondar os mistérios das explosões de supernovas, formação de estrelas, e mais.
"Propusemos uma série de novas maneiras pelas quais as interações de turbulência de choque podem ser entendidas, "disse Diego Donzis, professor associado do Departamento de Engenharia Aeroespacial da Texas A&M University. Donzis foi coautor do estudo, "Interações de choque-turbulência em altas intensidades de turbulência, "publicado em maio de 2019 no Journal of Fluid Mechanics . "Nós propusemos isso, em vez de tratar o choque como uma descontinuidade, é preciso levar em conta sua espessura finita como na vida real, que pode estar envolvida como um parâmetro governante em, por exemplo, fatores de amplificação, "Donzis disse.
A estrutura teórica dominante para as interações de turbulência de choque remonta à década de 1950, desenvolvido por Herbert Ribner enquanto na Universidade de Toronto, Ontário. Seu trabalho apoiou a compreensão da turbulência e das interações de choques de forma linear, teoria inviscid, que assume o choque como uma verdadeira descontinuidade. Todo o problema pode ser reduzido a algo matematicamente tratável, onde os resultados dependem apenas do número de Mach do choque, a relação entre a velocidade de um corpo e a velocidade do som no meio circundante. À medida que a turbulência passa pelo choque, normalmente é amplificado dependendo do número de Mach.
Experimentos e simulações por Donzis e colegas sugeriram que esta amplificação depende também do Número de Reynolds, uma medida de quão forte é a turbulência, e o número de Mach turbulento. "Propusemos uma teoria que combinava tudo isso em um único parâmetro, "Donzis disse." E quando propusemos essa teoria alguns anos atrás, não tínhamos dados bem resolvidos em alta resolução para testar algumas dessas ideias. "
Digite Stampede2, um supercomputador de 18 petaflop no Texas Advanced Computing Center, parte da Universidade do Texas em Austin. Stampede2 é o computador mais poderoso dos EUA para pesquisas de ciência aberta, onde os resultados são disponibilizados gratuitamente. Donzis foi premiado com o tempo de computação no Stampede2 por meio do XSEDE, o Ambiente Extremo de Descoberta de Ciência e Engenharia. Stampede2 e XSEDE são financiados pela National Science Foundation.
"No Stampede2, executamos um grande conjunto de dados de interações de turbulência de choque em diferentes condições, especialmente em altos níveis de intensidade de turbulência, com um grau de realismo que está além do que é tipicamente encontrado na literatura em termos de resolução em pequenas escalas, em termos da ordem do esquema que usamos, "Donzis disse." Graças a Stampede2, não podemos apenas mostrar como os fatores de amplificação são escalonados, mas também em que condições esperamos que a teoria de Ribner se mantenha, e em que condições nosso dimensionamento proposto anteriormente é o mais apropriado. "
O autor principal do estudo, Chang Hsin Chen, acrescentou que, "Também observamos a estrutura do choque e, por meio de simulações altamente resolvidas, pudemos entender como a turbulência cria buracos no choque. Isso só foi possível devido ao poder computacional fornecido pelo Stampede2. "Chen é um pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Aerotermoquímica da Texas A&M University. Sua pesquisa se concentra em turbulência compressível e ondas de choque, e dinâmica de fluidos computacional de alto desempenho.
Co-autores do estudo de turbulência de choque Chang Hsin Chen (L) e Diego Donzis (R), retratado com o supercomputador Stampede2. Crédito:TACC
Donzis afirmou que "Stampede2 está nos permitindo fazer simulações, alguns deles em níveis sem precedentes de realismo, em particular a resolução em pequena escala de que precisamos para estudar processos em escalas muito pequenas de fluxos turbulentos. Algumas dessas simulações são executadas em metade da máquina, ou mais, e às vezes demoram meses para funcionar. "
O que mais, os cientistas também exploraram os chamados saltos de choque, que são mudanças abruptas de pressão e temperatura à medida que a matéria se move através de um choque. "Neste estudo, desenvolvemos e testamos um novo quadro teórico para entender, por exemplo, porque um choque estacionário começa a se mover quando o fluxo de entrada é turbulento, "Disse Donzis. Isso implica que a turbulência que se aproxima altera profundamente o choque." A teoria prevê, e as simulações no Stampede2 confirmam que os saltos de pressão mudam, e como eles fazem isso quando o fluxo de entrada é turbulento. Este é um efeito que, na verdade, não é levado em consideração no trabalho seminal de Ribner, mas agora podemos entendê-lo quantitativamente, "Donzis disse.
Não foi fácil progredir na compreensão quando a turbulência encontra choques. A resolução extrema da ordem de bilhões de pontos de grade é necessária para capturar os gradientes nítidos de um choque em um número de Reynolds alto. "Embora sejamos limitados por quanto podemos empurrar o intervalo de parâmetros no Stampede2 ou em qualquer outro computador, conseguimos cobrir um espaço muito grande neste espaço de parâmetro, abrangendo intervalos de parâmetros além do que foi feito antes, "Donzis disse.
A entrada / saída (I / O) também se revelou um desafio ao gravar os dados no disco em contagens de núcleo muito grandes. "Esta é uma instância em que aproveitamos os Serviços de Suporte Colaborativo Estendido (ECSS) do XSEDE, e conseguimos otimizar com sucesso nossa estratégia, "Donzis disse." Agora estamos confiantes de que podemos continuar aumentando o tamanho de nossas simulações com a nova estratégia e continuar fazendo E / S a um custo computacional razoável. "
Donzis não é estranho ao XSEDE, que ele usa há anos, quando era chamado de Teragrid, para desenvolver os códigos de seu grupo - começando com o sistema LeMieux no Pittsburgh Supercomputing Center; Blue Horizon no San Diego Supercomputer Center; Kraken no Instituto Nacional de Ciências Computacionais; e agora em Stampede1 e Stampede2 em TACC.
"Vários dos sucessos que temos hoje são devido ao suporte contínuo do XSEDE, e Teragrid, para a comunidade científica. A pesquisa que somos capazes de fazer hoje e todas as histórias de sucesso são em parte o resultado do compromisso contínuo da comunidade científica e agências de financiamento para sustentar uma ciberinfraestrutura que nos permite enfrentar os maiores desafios científicos e tecnológicos que enfrentamos e podemos enfrentar no futuro. Isso é verdade não apenas para o meu grupo, mas talvez também para o resto da comunidade de computação científica nos Estados Unidos. Acredito que o projeto XSEDE e seus antecessores, nesse sentido, foram um facilitador tremendo, "Donzis disse.
Donzis acredita firmemente que os avanços na computação de alto desempenho (HPC) se traduzem diretamente em benefícios para toda a sociedade. “Qualquer impacto no HPC terá repercussões no transporte, processo industrial, fabricação, defesa, essencialmente a vida cotidiana das pessoas comuns, como a maior parte de nossas vidas são infundidas com produtos e serviços de tecnologia que em algum estágio ou outro se beneficiam de cálculos numéricos de escalas diferentes, "Donzis disse. E os avanços na compreensão da turbulência impactam uma ampla gama de aplicações, ele adicionou.
Disse Donzis:"Avanços na compreensão das interações de choque e turbulência podem levar a voos supersônicos e hipersônicos, torná-los uma realidade para as pessoas voarem daqui a algumas horas para a Europa; exploração espacial; e até mesmo nossa compreensão da estrutura do universo observável. Pode ajudar a responder, porque estamos aqui? Mais para a Terra, compreender a turbulência em fluxos compressíveis pode levar a grandes melhorias na eficiência de combustão, redução de arrasto e transporte geral. "