进了漩涡

仿真揭示了涡旋动态的野生细节。涡旋重新连接是两个相反签名的涡流彼此切割和连接的过程。重新连接是拓扑变化的基本事件,如在连接之后,部分涡流与另一个部分连接。Vortex重新连接级联通过直接数值模拟至重新= 40,000。
信誉:姚明和侯赛因等。

TACC超级计算机帮助科学家探测涡流和湍流。

涡旋的主题似乎很深奥。但它们的影响确实成为了头条新闻,正如最近爆发的龙卷风所显示的那样,2021年12月,美国8个州的龙卷风造成至少80人死亡。今天的科学家们仍然不能完全理解涡旋的动力学。涡旋是自然界中常见的混沌但连贯的模式,在飓风、空气或水流中的涡流、空气阻力、燃料燃烧等方面也有体现。

在德克萨斯理工大学科学家最近的研究中,超级计算机模拟正帮助科学家们更深入地了解漩涡和湍流的神秘特征。他们的研究可能应用于提高汽车燃油效率和开发节能飞机设计等。

他们的涡旋研究发表在2022年1月液体力学年度审查.“这项研究的一个收获是,我们发现,当两个反向签名的涡流走到一起时,它们将重新连接和重组,形成两个新的涡流,一些剩余的未连接的部分作为线程留下,可以进一步经历连续的重新连接。该研究的主要作者、德州理工学院机械工程系博士后姚杰说。

涡旋重新连接

“我们认为,涡流的重新连接是大多数湍流级联、流体混合和空气动力噪声产生背后的本质,”该研究的合著者Fazle Hussain说,他是工程、科学和医学校长的杰出主席,也是德州理工大学总统的高级顾问。Hussain是姚的导师,也是机械工程、物理、化学工程、石油工程、内科、细胞生理学和分子生物物理学系的教授。

侯赛因举了一个飞机两个尾迹涡重新连接的例子。在适当的大气条件下,滚动的双尾涡重新连接到涡环,从而形成湍流。

Hussain说:“当涡流重新连接时,它们会创造出两个大型结构加上许多小型结构。”“最初,你会在实验室里看到一些烟雾。但当两个涡流被拉离时,它们会拉住这些线,最终消散。这些细节只有通过超级计算机的数值模拟才能得到。”

超级计算机解决漩涡方程

在审查研究中,姚和Hussain获得了由美国国家科学基金会(NSF)资助的极端科学与工程发现环境组织(XSEDE)授予的超级计算机访问德克萨斯州高级计算中心Stampede2系统的权限。此外,他们还利用了XSEDE的扩展协作支持服务(ECSS)计划,该计划为研究人员提供专业知识,以充分利用获得的超级计算机时间。

“通过XSEDE ECSS,圣地亚哥超级计算机中心的Manu Shantaram帮助我们分析了我们的代码。我们与他有一个良好的联系和讨论,他在分析代码和发现问题方面做得很好,提高了其性能,“姚明说。

“我们从XSEDE项目中获益匪浅,TACC更是受益匪浅,他们的工作人员在技术问题上帮助我们解决问题,”姚补充道。“TACC提供给我们的不仅仅是Stampede2。TACC还授予我们访问Frontera和Lonestar5系统的权限,以及新的Lonestar6系统。”

Yao和Hussain已经从XSEDE、TACC以及他们在德州理工大学高性能计算中心(HPCC)的本地集群中获得了相当大的超级计算能力。基本上都是为了解Navier-Stokes方程,它描述了空气、水等的流体运动。他们的直接数值模拟已经产生了高度时间和空间分辨率,测量的精确分布,如速度、涡度或流体旋转、熵——一个与旋涡的能量耗散、螺旋度、温度和标量浓度相关的项。

峰值涡度和熵的增长都解决了一个非常基本的数学问题,这个问题与克雷数学研究所提出的一个价值百万美元的问题有关。克雷数学研究所已经承诺出资,为千禧年奖的几个问题中的一个找到正确的答案。

该问题与Navier-Stokes方程的有限时间奇点(FTS)的形成有关,可以说明是否在有限动能的某些初始瞬间和光滑速度领域给出的问题。该领域出现在由不可压缩的Navier-Stokes方程的进化中的有限时间内。

姚说:“使用超级计算机的直接数值模拟(DNS)也被用来研究FTS的可能形成。”DNS计算机模拟在计算流体力学中被用于求解Navier-Stokes方程,而不使用模型,这是一种计算昂贵的方法。他指出,模拟无法给出FTS存在的明确证据,因为该现象的长度尺度不可避免地减小到小于计算网格分辨率。

“特别的是,我们发现在细长涡环碰撞期间的最大涡度增长比理论预测的要小得多——排除了这种配置可能形成的有限时间奇点。在初始逼近阶段使用DNS检测自相似性,然后在奇异时间附近引入适当的尺度分析,可能是解决这个具有挑战性问题的途径之一,但在这个方向上还没有取得什么进展。”姚说。

涡流检查

姚振宇说,超级计算机帮助取得进展的地方是产生的结果,这些结果创造了更准确、更现实的涡旋描述。

“我们主要综述了经典粘性流动中涡重连的物理机制、与湍流叶栅的关系、有限时间奇异性的形成、螺旋动力学和气动噪声的产生等方面的研究进展。”

在早期的研究中,Yao和Hussain提出了湍流中的两个关键的潜在机制,湍流叶栅和涡重连。“我们还声称并证明,重新连接是能量级联到湍流最精细尺度的主要途径之一,然后再通过耗散过程转化为热量,”姚说。

在粘性流动中研究涡旋重新连接的一个挑战是重新连接永远不会完成。它将未连接的部件留下作为线程,可以具有丰富的动态(包括混合和湍流级联)。

雪崩的漩涡

例如,最近他们完成了中等雷诺数下重连的计算机模拟,这是惯性力与粘性力的比值,较高的数值对应更湍流的流动。仿真表明,线程可以进一步经历二级重连接级联。

随着雷诺数的增加,动态变得更加复杂。

“涡流管的碰撞导致多个螺纹偶联的瞬时产生。然后这些偶极子经历了巨大的重新连接,在湍流云中导致涡流的大缠结的雪崩,“姚明说。

“雪崩”是Yao和Hussain用来解释各种流动情况下的瀑布的术语,“非常重要,”Hussain补充道。“我们已经通过计算机模拟表明,一个漩涡重新连接到两个漩涡,突然我们就有了很多漩涡。”

“想象一下涡流的燃料和氧气的涡流,”侯赛因说。“突然燃料和氧气彼此相邻,它们的涡流重新连接。您可以拥有更完整的燃烧,燃烧更少的燃料。这可能是一个重大突破。“

他还指出,汽车,潜艇,飞机和火箭等燃料燃烧的车辆需要克服周围空气的阻力。

“事实证明,仅在美国民航领域,如果你能将阻力提高1%,你就能节省30亿美元。我们有办法建议,也许我们可以达到减少20-30%的阻力。这将是惊人的。

壁湍流

姚明和侯赛因还研究了超音速下的壁式摩擦减少,在2021年11月2021年在美国物理社会的“物理审查流体”的工作中。

“壁面湍流的拖动控制是我们团队的另一个重要研究领域,”姚说,成功控制壁面湍流需要对基础物理的透彻理解。

“在我们看来,湍流是许多不同尺度的漩涡的集合,”Hussain说。在过去的几十年里,在壁面湍流研究方面的一个重大进展是发现、理解和记录有组织的“相干结构”,如涡及其在近壁面动力学中的重要作用。旋涡基本上形成一个自我维持的壁面湍流产生循环。

“一般而言,中断这种自我维持周期的任何阶段可能导致抑制流动涡流生成,从而降低阻力降低燃料消耗和环境污染。我们已经研究了不可压缩和可压缩流程的各种阻力控制技术。最重要的是,注意到大型和非常大的尺度动作在高雷诺数中占主导地位,我们提出了大规模的壁射流强制控制和复合控制技术,“姚明说。

动荡的模拟

XSEDE在StupeDe2颁发了涡旋和湍流研究。该团队在TACC的LONESTAR5系统和德克萨斯州理工大学HPCC授予单独的分配。

Yao和Hussain正在继续对TACC的Frontera超级计算机进行管道流研究,该计算机由美国国家科学基金会(nsf)资助,是世界上速度最快的学术超级计算机。他们在Frontera上工作的主要目标是模拟相对较高雷诺数下的湍流管道流动。

大致,在通过管道通过管道运输流体的一半能量通过空气和水,通过墙壁附近的湍流来消散。“因此,更清楚地了解相关流量物理学具有直接和实质性的影响,并且对这些问题的提高了解对于寻找控制流动现象,例如阻力和热量和传质,”姚明表示是必不可少的。“。

“尽管是一个深奥的话题,”侯赛因说,“我们不能没有动荡。龙卷风和飓风的伤害是真实的。并且有混合,夹带,燃烧,拖动的例子 - 所有这些现象都需要了解细节,例如我们现在正在使用的管道流动。超级计算机尚未足够大,以模拟现实的湍流,例如在飞行中喷气机的翼尖1000万或更多的雷诺数。它需要巨大的计算机资源,我们刚刚开始划伤表面。“

姚明和侯侯承认通过XSEDE TG-CTS190038以TACC的踩踏事件2计算分配;Tacc Lonestar和Frontera系统;和德克萨斯科技大学的HPCC。该研究由总统赋予工程,科学和医学,TTU(B56388-T)的卓越尊敬的董事资金资助。管道流模拟由NSF授权部分资助(2031650)。

杂志:物理评论液体
DOI:10.1103 / physrevfluids.6.114602,10.1146 / Annurev-Fill-030121-125143
研究方法:计算仿真/建模
文章标题:在可压缩湍流通道中通过对抗控制减少阻力
文章出版日期:2021年11月12日

媒体接触

豪尔赫·萨拉查
德克萨斯大学奥斯汀分校,德克萨斯高级计算中心
jorge@tacc.utexas.edu.
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www.utexas.edu

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