Em 2018, os passageiros a bordo de um voo para a Austrália experimentaram uma queda livre terrível de 10 segundos quando um vórtice que seguia seu avião cruzou na esteira de outro voo. A colisão desses vórtices, a companhia aérea suspeita, criou uma turbulência violenta que levou a uma queda livre.

Para ajudar a projetar aeronaves que podem manobrar melhor em situações extremas, Os pesquisadores da Purdue University desenvolveram uma abordagem de modelagem que simula todo o processo de uma colisão de vórtice em um tempo computacional reduzido. Esse conhecimento de física pode então ser incorporado aos códigos de projeto de engenharia para que a aeronave responda de maneira adequada.

As simulações que os projetistas de aeronaves usam atualmente capturam apenas uma parte dos eventos de colisão de vórtice e requerem um processamento extensivo de dados em um supercomputador. Não ser capaz de simular facilmente tudo o que acontece quando os vórtices colidem limitou os projetos de aeronaves.

Com simulações mais realistas e completas, os engenheiros poderiam projetar aeronaves, como jatos de combate capazes de manobras mais abruptas ou helicópteros que podem pousar com mais segurança em porta-aviões, disseram os pesquisadores.

O professor de engenharia mecânica, Carlo Scalo, e sua equipe de pesquisa usam supercomputadores para desenvolver modelos que simulam com eficiência fenômenos de fluxo de vórtice.

"Aeronaves em condições extremas não podem contar com modelagem simples, "disse Carlo Scalo, um professor associado de engenharia mecânica da Purdue com um compromisso de cortesia em aeronáutica e astronáutica.

"Apenas para solucionar alguns desses cálculos pode levar a executá-los em mil processadores por um mês. Você precisa de computação mais rápida para fazer o projeto da aeronave."

Os engenheiros ainda precisariam de um supercomputador para executar o modelo que a equipe de Scalo desenvolveu, mas seriam capazes de simular uma colisão de vórtice em cerca de um décimo a um centésimo do tempo, usando muito menos recursos computacionais do que os normalmente necessários para cálculos em grande escala.

Os pesquisadores chamam o modelo de "Simulação de grande turbilhão (LES) com preservação coerente de vorticidade (CvP)". O desenvolvimento de quatro anos deste modelo está resumido em um artigo publicado no Journal of Fluid Mechanics .

"O modelo CvP-LES é capaz de capturar física supercomplexa sem ter que esperar um mês em um supercomputador porque já incorpora conhecimento da física que cálculos em escala extrema teriam que reproduzir meticulosamente, "Disse Scalo.

O ex-pesquisador de pós-doutorado em Purdue, Jean-Baptiste Chapelier, liderou o processo de dois anos de construção do modelo. Xinran Zhao, outro pesquisador de pós-doutorado em Purdue no projeto, conduzido complexo, cálculos em grande escala para provar que o modelo é preciso. Esses cálculos permitiram aos pesquisadores criar uma representação mais detalhada do problema, usando mais de um bilhão de pontos. Para comparação, uma TV de ultra alta definição 4K usa aproximadamente 8 milhões de pontos para exibir uma imagem.

Construindo a partir desta base, os pesquisadores aplicaram o modelo CvP-LES aos eventos de colisão de dois tubos de vórtice chamados de vórtices com nós de trevo, que são conhecidos por seguir as asas de um avião e "dançar" quando se reconectam.

Esta dança é extremamente difícil de capturar.

"Quando os vórtices colidem, há um choque que cria muita turbulência. É muito difícil simular computacionalmente porque você tem um evento localizado intenso que acontece entre duas estruturas que parecem muito inocentes e sem intercorrências até que colidem, "Disse Scalo.

Usando o supercomputador Brown em Purdue para cálculos de médio porte e as instalações do Departamento de Defesa para cálculos em grande escala, a equipe processou dados sobre os milhares de eventos que ocorrem quando esses vórtices dançam e incorporou esse conhecimento de física ao modelo. Eles então usaram seu modelo de turbulência para simular toda a dança da colisão.

Os engenheiros poderiam simplesmente executar o modelo pronto para simular vórtices em qualquer período de tempo para melhor se assemelhar ao que acontece ao redor de uma aeronave, Disse Scalo. Os físicos também podem reduzir o modelo para experimentos de dinâmica de fluidos.

"O que é realmente inteligente sobre a abordagem do Dr. Scalo é que ela usa informações sobre a física de fluxo para decidir a melhor tática para computar a física de fluxo, "disse Matthew Munson, gerente de programa de Fluid Dynamics no Gabinete de Pesquisa do Exército, um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.

"É uma estratégia inteligente porque torna o método de solução aplicável a uma variedade maior de regimes do que muitas outras abordagens. Há um enorme potencial para que isso tenha um impacto real no projeto de plataformas de veículos e sistemas de armas que permitirão aos nossos soldados cumprir suas missões. "

A equipe de Scalo usará o mais novo supercomputador de cluster da comunidade de Purdue, Sino, para continuar sua investigação de fluxos vorticais complexos. A equipe também está trabalhando com o Departamento de Defesa para aplicar o modelo CvP-LES a casos de teste de grande escala relativos a aeronaves a motor, como helicópteros.

"Se você for capaz de simular com precisão os milhares de eventos em fluxo, como aqueles vindos de uma pá de helicóptero, você poderia projetar sistemas muito mais complexos, "Disse Scalo.