美國“前沿”超級計算機以創(chuàng)紀錄的35萬億網(wǎng)格點繪制三維湍流圖譜

這項研究提供了關于罕見、劇烈波動更精確的數(shù)據(jù)，這些波動會導致重大的現(xiàn)實影響，例如5級龍卷風或引擎故障。

美國研究人員在功能強大的“前沿”（Frontier）超級計算機上進行了歷史上最大規(guī)模的三維湍流模擬。佐治亞理工學院的研究人員憑借創(chuàng)紀錄的計算能力，使用“前沿”超級計算機在35萬億個網(wǎng)格點上繪制了三維流體混沌狀態(tài)。據(jù)稱，這是有史以來最大規(guī)模的湍流直接數(shù)值模擬。

通過解碼湍流波動的核心機制，這項研究提供了一個新的視角，用以觀察從全球海洋的大尺度環(huán)流到噴氣發(fā)動機內(nèi)部高壓環(huán)境等各種現(xiàn)象。這些理論發(fā)現(xiàn)可能有助于實際應用，例如提高天氣預報的準確性，以及設計下一代超高效能運載工具和翼型。

領導該項目的佐治亞理工學院航空航天工程學教授楊炳融表示：“這項工作將對計算機建模以及空氣、水或其他流體流動發(fā)揮重要作用的眾多學科領域的實際應用產(chǎn)生深遠影響。”

理解湍流

湍流之所以難以研究，是因為它涉及巨大時空尺度范圍內(nèi)的混沌波動。然而，在最小尺度上，這些運動遵循在不同環(huán)境下都保持一致的“統(tǒng)計普適”模式。科學家們長期以來從理論上認為，這種普適性會隨著湍流強度增加而變得更加清晰，但直到“前沿”超級計算機的百億億次級（Exascale）計算能力，才得以模擬出足夠精細的動態(tài)過程來證明這一點。

為了理解其規(guī)模，可以想象一個數(shù)字立方體。在這個立方體內(nèi)，研究人員沿著每一條邊設置了32768個點。在每一個點上，“前沿”超級計算機計算了慣性力與摩擦力之間無形的拉鋸戰(zhàn)。這使得研究團隊能夠達到2500的雷諾數(shù)，這一物理保真度水平終于讓計算機模型能與真實世界的實驗室實驗相媲美。

楊炳融說：“這是一個超越了世界上任何其他機器能力的規(guī)模。”他表示：“我們現(xiàn)在可以說，數(shù)值模擬的結果非常可靠，它們能讓我們驗證一些關于湍流的假說。我們可以檢驗基礎理論，以了解如何進行修正——因為所有針對此類復雜現(xiàn)象建立的湍流理論都不可避免地存在不完善之處。”

極端事件的行為

這項研究的一個核心焦點是“極端事件”的行為——即經(jīng)典理論常常無法預測的、罕見的、局部的劇烈波動。這些異常值是造成5級龍卷風、發(fā)動機“自行熄火”和空氣污染高度集中等高影響現(xiàn)象的原因。由于這些事件是零星發(fā)生且混沌無序的，該研究從“是否會發(fā)生”的確定性方法，轉向了隨機（統(tǒng)計）模型，該模型計算這些波動的概率分布，以便更好地應對其巨大的現(xiàn)實后果。

此外，該研究還揭示了能量耗散（運動如何轉化為熱量）與渦度擬能（衡量局部旋轉或渦量強度的指標）的概率分布之間存在差異。研究結果還表明，小尺度湍流的間歇性比以往認為的更強。借助這些統(tǒng)計修正，研究人員可以更準確地預測能量在混沌環(huán)境（如強風暴形成過程）中的行為。

為了最大限度地提高“前沿”超級計算機的效率，該團隊采用了“多分辨率獨立模擬”方案。這項技術使他們能夠捕捉湍流尺度上最精細的細節(jié)，同時避免了無限期運行全尺寸模擬所帶來的難以承受的計算成本。

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