进了漩涡

模拟揭示了漩涡动力学的可怕细节。旋涡重连是两个反向旋涡相互切断并连接的过程。重新连接是拓扑变化的一个基本事件,因为连接后,旋涡的一部分与另一部分连接。涡重联叶栅直接数值模拟,Re= 40000。
资料来源:姚明和侯赛因等人。

TACC超级计算机帮助科学家探测涡流和湍流。

扭转的主题似乎是疏远的。But their impact does make headlines, as seen recently in an outbreak of tornadoes, swirling vortices that killed at least 80 people across eight U.S. states in December 2021. Scientists today still don’t fully understand the dynamics of vortices, chaotic but coherent patterns common in nature that are also exemplified by hurricanes, eddies in a stream of air or water, aerodynamic drag, fuel combustion, and more.

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。

他们的漩涡研究于1月2022年出版流体力学年度评论“,。“从研究中的一个外卖是,我们发现,如果两个相反签署的涡旋聚集在一起,他们将重新连接并重新组合形成两个新涡流,其中一些剩余的未连接部分作为线程,可以进一步接受连续重新连接。”该研究领导作者Jie Yao是德克萨斯科技机械工程系的博士后研究员。

涡重新连接

“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。

侯赛因在飞机的两个轨迹中举例说明了涡旋重新连接。在适当的大气条件下,滚动双拖动涡流重新连接到涡旋环,从而变得湍流。

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

对于审查研究,姚明和侯赛因被XSEDE,极端科学和工程发现环境(NSF)资助的德克萨斯高级计算中心颁发了超级计算机访问Suppete2系统。此外,他们利用XSEDE的扩展协作支持服务(ECS)计划,该计划为研究人员提供专业知识,以使最大的超级计算机授予的时间。

“通过XSEDE ECSS,圣地亚哥超级计算机中心的Manu Shantaram帮助我们分析代码。我们和他有很好的联系和讨论,他在分析代码和发现问题方面做得很好,这提高了代码的性能,”姚说。

“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。”

姚明和侯赛因已经利用了来自Xsede,TACC的超级计算能力,以及德克萨斯科技大学高性能计算中心(HPCC)的当地集群。这一切都基本上解决了Navier-Stokes方程,它描述了空气,水和更多的流体运动。它们的直接数值模拟产生了高度的时间和空间分辨,准确的措施分布,例如速度,涡流或流体旋转,敌对 - 与涡旋,螺旋,温度和标量浓度的能量耗散有关的术语。

峰值血腥和敌对的增长既有一个非常基本的数学问题,与粘土数学研究所所带来的一百万美元的问题有关,他们已经向若干千年奖项的问题进行了正确的解决方案。

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。

“使用超级计算机的直接数值模拟(DNS)也已用于研究FTS的可能形成,”姚明说。DNS计算机模拟用于计算流体动力学,以解决Navier-Stokes方程而不使用模型,计算昂贵的方法。他指出,模拟不能明确证明存在FTS的存在,因为现象的长度规模不可避免地降低到低于计算网格分辨率。

“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。

漩涡评价

姚明说,超级计算机有助于取得进展,姚明,在审查中创造了更准确和现实的涡流的结果。

“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。

研究粘滞流动中旋涡重连的一个挑战是重连是不完全的。它将未连接的部分作为线程,可以具有丰富的动力学(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。

旋涡管的碰撞导致了多个线程偶极子的瞬时生成。然后,这些偶极子经历了大量的重新连接,导致了一大片混乱的漩涡在湍流云中的雪崩。”姚说。

“雪崩,”姚明和侯赛因使用的术语在各种流动情况下解释级联,“非常重要,”侯赛因补充道。“我们通过计算机模拟所展示的涡流从一到两个重新连接,突然我们有很多涡流。”

“想象一下燃料和氧气的漩涡线,”侯赛因说。“突然之间,燃料和氧气就在一起了,它们的涡流重新连接起来。你可以有更多的完全燃烧和燃烧更少的燃料。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

Yao和Hussain还研究了超音速下壁面湍流的表面摩擦减阻,他们的工作发表在2021年11月的《美国物理学会物理评论流体》杂志上。

“在墙上的阻力控制是我们集团的另一个重要研究领域,”姚明说,成功控制墙壁湍流需要彻底了解潜在物理学。

“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。

“一般来说,中断这种自我维持的循环的任何阶段都可以抑制流向涡的产生,从而减少阻力,降低油耗和环境污染。我们研究了不可压缩流和可压缩流中的各种阻力控制技术。最重要的是,注意到大尺度和非常大尺度的运动在高雷诺数下占主导地位,我们已经提出了大跨度反向壁面射流强迫控制和复合控制技术,”Yao说。

湍流模拟

在Stampede2上,XSEDE为涡流和湍流研究提供了拨款。该团队获得了TACC的Lonestar5系统和德克萨斯理工大学HPCC的单独分配。

姚明和侯赛因正在继续对TACC的NSF资助的Frontera Supercomputer是世界上最快的学术超级计算机的流程研究。他们在Frontera上工作的主要目标是在比较高的雷诺数中模拟湍流管流。

通过管道输送液体或通过空气和水输送车辆所消耗的能量,大约有一半被墙壁附近的湍流所耗散。姚说:“因此,更清晰地理解相关的流动物理有着直接和实质性的影响,而提高对这些问题的认识将对找到控制流动现象的科学方法至关重要,比如阻力、热和传质。”

“尽管这是一个深奥的话题,”侯赛因说,“但我们不能没有动荡。龙卷风和飓风造成的破坏是真实的。还有混合,夹带,燃烧,阻力的例子——所有这些现象都需要细节知识,比如我们现在对管道流动所做的。超级计算机还不够大,无法模拟真实的湍流,比如飞行中喷气式飞机机翼尖端的雷诺数为1000万或更多的湍流。这需要大量的计算机资源,而我们才刚刚起步。”

Yao和Hussain通过XSEDE TG-CTS190038承认Stampede2在TACC的计算分配;TACC Lonestar和Frontera系统;以及德克萨斯理工大学的HPCC。本研究由TTU工程、科学和医学领域的校长特聘讲座基金(B56388-T)资助。管道流动模拟部分由NSF拨款(2031650)资助。

期刊:物理评论流体
DOI:10.1103 / PhysRevFluids.6.114602, 10.1146 / annurev -流体- 030121 - 125143
研究方法:计算仿真/建模
文章标题:在一个可压缩湍流频道中通过反对控制减少
文章出版日期:12-11月2021

媒体联系人

豪尔赫·萨拉查
德克萨斯大学在德克萨斯州奥斯汀,高级计算中心
jorge@tacc.utexas.edu.
办公室:512-471-3980

www.utexas.edu.

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