Quand on pense aux turbulences, vous pourriez penser à un trajet en avion cahoteux. Turbulence, cependant, est bien plus omniprésent dans nos vies que le simple transport aérien. Vagues de l'océan, fumée du feu, même le bruit provenant des moteurs à réaction ou des éoliennes sont tous liés à la turbulence.

Une équipe de chercheurs de l'Institut d'aérodynamique (AIA) de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle s'intéresse depuis longtemps à l'utilisation du calcul pour comprendre la turbulence - l'un des principaux mystères difficiles de la dynamique des fluides - et son lien avec le bruit des avions, la consommation de carburant, ou le transport de polluants, entre autres intérêts de recherche.

L'équipe a utilisé le supercalculateur Cray XC40 Hazel Hen du High-Performance Computing Center de Stuttgart pour étudier les écoulements multiphasiques turbulents :le mouvement de deux matériaux dans des états différents (comme des solides et des liquides) ou des matériaux dans le même état qui, pour des raisons chimiques, ne peut pas se mélanger (comme l'huile et l'eau). L'équipe travaille également à améliorer la précision des simulations de turbulence sur des ordinateurs plus modestes.

Récemment, l'équipe a publié un article dans le Journal de mécanique des fluides détaillant sa feuille de route vers une meilleure modélisation des écoulements polyphasiques turbulents. Le travail soutient les objectifs interdisciplinaires plus larges de l'équipe. "Ce projet fait partie d'une plus grande unité de recherche où nous recherchons comment rendre les centrales électriques au charbon plus respectueuses de l'environnement en ce qui concerne leurs émissions de CO2, " a déclaré le chercheur de RWTH, le Dr Matthias Meinke.

Lors de la combustion, les gaz se mélangent avec de minuscules, particules solides, ce qui signifie que les simulations réalistes peuvent contenir des milliards de ces complexes, interactions multiphasiques. Pour faire face au coût de calcul gigantesque associé à des calculs aussi énormes, de nombreux chercheurs utilisent simplement des modèles pour le mouvement des particules dans un écoulement, réduire le coût de calcul en simplifiant la simulation. Cependant, ces simplifications peuvent également nuire à la précision et, à son tour, le pouvoir prédictif des simulations.

L'équipe RWTH Aachen souhaite améliorer ses modèles informatiques pour tenir compte des petites interactions qui ont un impact important sur les écoulements turbulents. "Nous voulions trouver une méthode plus détaillée qui nous est nécessaire pour comprendre ces flux chargés de particules lorsque les particules sont extrêmement petites, " a déclaré le professeur Wolfgang Schröder, Directeur AIA et collaborateur sur le projet de l'équipe. "Ces particules définissent en fait l'efficacité du processus de combustion global, et c'est notre objectif global car, du point de vue de l'ingénierie, nous voulons rendre les modèles qui décrivent ces types de processus plus précis."

Augmenter en diminuant

Essentiellement, la turbulence se produit lorsqu'un flux devient trop excité. Qu'ils soient liquides ou gazeux, tous les fluides ont une certaine forme de viscosité, qui aide à encercler l'énergie cinétique (énergie de mouvement) dans un flux. Si l'énergie dans un flux est élevée, et le fluide n'est pas épais, ou visqueux, assez pour dissiper l'énergie, le mouvement passe de très ordonné (flux laminaire) à chaotique (flux turbulent). Ce chaos est transmis de la plus grande à la plus petite échelle jusqu'à ce que la viscosité du fluide reprenne le contrôle de l'écoulement en transformant l'énergie cinétique en chaleur.

La plus petite échelle - où l'énergie cinétique est transformée en chaleur et la viscosité reprend le contrôle du flux - s'appelle l'échelle de Kolmogorov.

L'équipe souhaitait calculer l'écoulement turbulent jusqu'à l'échelle de Kolmogorov avec la méthode de dynamique des fluides la plus précise possible.

De nombreux chercheurs étudiant les problèmes de dynamique des fluides liés à la turbulence utilisent des simulations à grande échelle (LES) pour réduire le coût de calcul en faisant certaines hypothèses sur ce qui se passe aux plus petites échelles. Cependant, la façon la plus réaliste de calculer les processus turbulents est d'utiliser des simulations numériques directes (DNS). Le DNS permet aux chercheurs de ne faire aucune hypothèse à plus petite échelle, ce qui signifie que la précision est améliorée, mais le coût de calcul est plus élevé.

En utilisant Hazel Hen, l'équipe a pu exécuter une simulation DNS sur un système de 45, 000 particules d'une taille de l'échelle de Kolmogorov. A la connaissance de l'équipe, c'est la plus grande simulation de particules à cette échelle à ce jour, et sert de référence pour savoir comment d'autres chercheurs qui étudient ce processus peuvent obtenir des résultats de simulation plus réalistes. Afin d'avoir le « meilleur des deux mondes » par rapport aux particules à l'échelle de Kolmogorov et aux simulations DNS, l'équipe devait absolument disposer d'un supercalculateur de classe mondiale et d'un support de classe mondiale.

« Vu le résultat final, il n'aurait pas été possible de faire ce genre de recherche - d'effectuer les calculs et de faire l'analyse - sans Hazel Hen. Sans cette machine, il n'y aurait aucun moyen de rivaliser avec d'autres groupes de recherche internationaux dans ce domaine, " a déclaré Schröder.

"Il est difficile de tout faire fonctionner comme il se doit, en particulier sur de telles plates-formes à grande échelle, " Meinke a dit. " Si nous voulons faire du post-traitement, nous avons besoin de spécialisation. Nous testons constamment de nouveaux systèmes de fichiers parallèles, car la réécriture des données sur le disque est un goulot d'étranglement majeur. Pour toutes ces choses, nous sommes constamment en contact et obtenons un soutien précieux de la part du personnel de HLRS. »

Précision pour tous

Fort du succès de son DNS à grande échelle sur l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde, l'équipe se concentre maintenant sur l'amélioration de la précision des simulations de turbulence pour les chercheurs qui pourraient ne pas avoir accès aux superordinateurs.

L'équipe commence à travailler sur des méthodes pour intégrer les données qu'elle a reçues de ses simulations DNS dans des méthodes moins gourmandes en calculs. Non seulement cela permettra à l'équipe de faire plus de simulations, cela permettra des simulations beaucoup plus grandes qui peuvent être effectuées avec un degré de précision plus élevé.

Cela profitera non seulement aux chercheurs, mais aussi à l'industrie. "Nous devons vérifier nos modèles simplifiés pour qu'ils soient valides, et c'est important pour les personnes qui conçoivent des centrales électriques au charbon. Ils doivent utiliser de tels modèles, sinon, ils ne peuvent pas prédire avec précision l'ensemble du processus, " a déclaré Meinke. Ces modèles validés permettront aux chercheurs de prédire l'ensemble du processus avec plus de précision.

Alors que le Gauss Center for Supercomputing livre ses systèmes de nouvelle génération à HLRS et à ses centres partenaires du Jülich Supercomputing Center et du Leibniz Supercomputing Center, Garching près de Munich, Schröder et Meinke sont ravis de plonger dans des simulations encore plus complexes.

« Dans notre journal, on ne considère que des particules sphériques, " a déclaré Schröder. " Il y a d'autres particules avec une forme plus en forme d'aiguille avec des filaments minces, et ceux-ci sont nécessaires pour simuler. Nous devons proposer un meilleur modèle et généraliser notre analyse de manière à pouvoir fournir un modèle pouvant être utilisé par d'autres groupes. »