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A ciência por trás dessa anedota relativamente simples na verdade fala para uma verdade maior sobre a complexa dinâmica dos fluidos e sustenta muitos dos avanços feitos no transporte, Geração de energia, e outras tecnologias desde a era industrial - os movimentos caóticos aparentemente aleatórios conhecidos como turbulência desempenham um papel vital em processos químicos e industriais que dependem da mistura eficaz de diferentes fluidos.

Enquanto os cientistas há muito estudam fluxos turbulentos de fluidos, suas naturezas caóticas inerentes impediram os pesquisadores de desenvolver uma lista exaustiva de regras "confiáveis, "ou modelos universais para descrever e prever a turbulência com precisão. Este grande desafio tornou a turbulência um dos últimos grandes" grandes desafios "não resolvidos da física.

Nos últimos anos, recursos de computação de alto desempenho (HPC) têm desempenhado um papel cada vez mais importante na obtenção de insights sobre como a turbulência influencia os fluidos em uma variedade de circunstâncias. Recentemente, pesquisadores da RWTH Aachen University e do centro de pesquisa CORIA (CNRS UMR 6614) na França têm usado recursos de HPC no Jülich Supercomputing Center (JSC), um dos três centros de HPC que compõem o Gauss Center for Supercomputing (GCS), para executar simulações numéricas diretas (DNS) de alta resolução de configurações turbulentas, incluindo chamas de jato. Embora extremamente caro em termos computacionais, O DNS de turbulência permite que os pesquisadores desenvolvam melhores modelos para rodar em recursos de computação mais modestos que podem ajudar os pesquisadores acadêmicos ou industriais a usar os efeitos da turbulência em um determinado fluxo de fluido.

"O objetivo de nossa pesquisa é, em última análise, melhorar esses modelos, especificamente no contexto de aplicações de combustão e mistura, "disse o Dr. Michael Gauding, Cientista do CORIA e pesquisador do projeto. O trabalho recente da equipe acabou de ser nomeado o papel de destaque do colóquio "Chamas turbulentas", que aconteceu como parte do 38º Simpósio Internacional de Combustão.

Começa e para

Apesar de parecer aleatório, características caóticas, pesquisadores identificaram algumas propriedades importantes que são universais, ou pelo menos muito comum, para turbulência em condições específicas. Pesquisadores que estudam como o combustível e o ar se misturam em uma reação de combustão, por exemplo, confie na turbulência para garantir uma alta eficiência de mistura. Muito desse movimento turbulento importante pode resultar do que acontece em uma área fina perto da borda da chama, onde seus movimentos caóticos colidem com os fluidos mais suaves ao seu redor. Esta área, a interface turbulenta-não turbulenta (TNTI), tem grandes implicações para a compreensão da mistura turbulenta.

Ao executar seus cálculos de DNS, Gauding e seu colaborador, Mathis Bode de RWTH Aachen, começou a focar especificamente neste algo mais sutil, fenômenos mais complexos que ocorrem no TNTI.

Especificamente, os pesquisadores queriam entender melhor as flutuações raras, mas poderosas, chamadas de "intermitência" - um processo irregular acontecendo localmente, mas com amplitude muito alta. Em chamas turbulentas, a intermitência aumenta a eficiência da mistura e da combustão, mas em demasia também pode extinguir a chama. Os cientistas distinguem entre intermitência interna, que ocorre nas menores escalas e é uma característica de qualquer fluxo turbulento totalmente desenvolvido, e intermitência externa, que se manifesta na borda da chama e depende da estrutura do TNTI.

Mesmo usando recursos HPC de classe mundial, executar grandes simulações de turbulência de DNS é caro do ponto de vista computacional, como os pesquisadores não podem usar suposições sobre o movimento do fluido, ao invés disso, resolva as equações governantes para todas as escalas relevantes em um determinado sistema - e o intervalo da escala aumenta com a "força" da turbulência como lei de potência. Mesmo entre pesquisadores com acesso a recursos HPC, as simulações muitas vezes carecem da resolução necessária para resolver totalmente a intermitência, que ocorre em finas camadas confinadas.

Para Bode e Gauding, compreender a turbulência em pequena escala que acontece no limite estreito da chama é o ponto. "Nossas simulações são altamente resolvidas e estão interessadas nessas camadas finas, "Bode disse." Para tiragens de produção, a resolução da simulação é significativamente mais alta em comparação com simulações de DNS semelhantes para resolver com precisão as rajadas fortes que estão conectadas à intermitência. "

Os pesquisadores puderam usar os supercomputadores JUQUEEN, JURECA, e JUWELS no JSC para construir um banco de dados abrangente de simulações de turbulência. Por exemplo, uma simulação foi executada por vários dias no módulo JUQUEEN completo, empregando todos os 458, 752 núcleos de computação durante a "Grande Semana" do centro em 2019, simulando um fluxo de jato com cerca de 230 bilhões de pontos de grade.

Misturando e combinando

Com uma melhor compreensão do papel que a intermitência desempenha, a equipe obtém dados de suas execuções de DNS e os usa para melhorar as simulações de grandes redemoinhos (LES) menos exigentes computacionalmente. Embora ainda seja perfeitamente preciso para uma variedade de objetivos de pesquisa, Os LES estão em algum lugar entre uma simulação ab initio que começa sem suposições e um modelo que já contém certas regras sobre como os fluidos se comportarão.

O estudo de chamas turbulentas de jato tem implicações para uma variedade de objetivos de engenharia, de tecnologias aeroespaciais a usinas de energia. Embora muitos pesquisadores que estudam a dinâmica dos fluidos tenham acesso aos recursos de HPC, como os do JSC, outros não fazem. Os modelos LES muitas vezes podem ser executados em recursos de computação mais modestos, e a equipe pode usar seus dados DNS para ajudar a informar melhor esses modelos LES, tornando as simulações menos exigentes computacionalmente mais precisas. "Em geral, os modelos LES atuais não são capazes de explicar com precisão esses fenômenos na vizinhança do TNTI, "Gauding disse.

A equipe conseguiu dimensionar seu aplicativo para aproveitar ao máximo os recursos de computação do JSC parcialmente, participando regularmente de eventos de treinamento e workshops realizados no JSC. Apesar de já ser capaz de aproveitar grandes quantidades de energia HPC, no entanto, a equipe reconhece que este desafio científico é complexo o suficiente para que até mesmo os sistemas HPC da próxima geração sejam capazes de atingir o desempenho exascale - um pouco mais de duas vezes mais rápido que o supercomputador mais rápido de hoje, o supercomputador Fugaku na RIKEN no Japão - pode não ser capaz de simular totalmente essas dinâmicas turbulentas. Contudo, cada avanço computacional permite que a equipe aumente os graus de liberdade e inclua física adicional em suas simulações. Os pesquisadores também estão procurando usar abordagens mais baseadas em dados para incluir intermitência em simulações, além de melhorar, em desenvolvimento, e validar modelos com base nos dados DNS da equipe.