Les chercheurs de l'armée ont conçu un modèle informatique qui calcule plus efficacement le comportement de la turbulence atmosphérique dans des environnements complexes, y compris les villes, les forêts, déserts et régions montagneuses.

Cette nouvelle technologie pourrait permettre aux soldats de prévoir les conditions météorologiques plus tôt à l'aide des ordinateurs à portée de main et d'évaluer plus efficacement les conditions de vol des véhicules aériens sur le champ de bataille.

La turbulence peut être invisible à l'œil nu, il est toujours présent autour de nous dans l'air sous forme de changements chaotiques de vitesse et de pression.

Les méthodes traditionnelles de calcul de la dynamique des fluides pour analyser la turbulence atmosphérique traitent le fluide comme un continuum, résoudre les équations différentielles non linéaires de Navier-Stokes qui sont impliquées.

Cependant, calcul de la turbulence dans la couche limite planétaire, la couche la plus basse de l'atmosphère, peut être difficile en raison de la façon dont la présence d'arbres, les immeubles de grande hauteur et d'autres aspects du paysage influencent directement son comportement.

Les méthodes TCFD doivent tenir compte de tous les effets des points voisins entourant la cible, ce qui crée une immense charge de calcul qui est très difficile à mettre en œuvre efficacement sur des architectures parallèles modernes, tels que les accélérateurs d'unités de traitement graphique.

Par conséquent, ces méthodes sont souvent confrontées à des défis lorsqu'elles sont confrontées à des environnements plus complexes en raison des limites du traitement des limites de surface complexes.

Dans une tentative de recherche d'une approche alternative, une équipe de scientifiques du laboratoire de recherche de l'armée américaine dirigée par le Dr Yansen Wang s'est tournée vers le domaine de la mécanique statistique pour trouver des idées.

Ce qu'ils ont trouvé était la méthode Lattice-Boltzmann, une technique utilisée par les physiciens et les ingénieurs pour prédire le comportement des fluides à très petite échelle.

"La méthode Lattice-Boltzmann est normalement utilisée pour prédire l'évolution d'un petit volume d'écoulements turbulents, mais il n'a jamais été utilisé pour une zone aussi vaste que l'atmosphère, " Wang a dit. " Quand j'ai lu à ce sujet dans un document de recherche, J'ai pensé que cela pouvait être appliqué non seulement à un petit volume de turbulence, mais aussi à la turbulence atmosphérique."

Contrairement aux méthodes TCFD, le LBM traite le fluide comme une collection de particules au lieu d'un continuum et a été largement utilisé dans la simulation des fluides pour représenter avec précision la dynamique des fluides.

Wang et son équipe ont déterminé que cette nouvelle approche pourrait modéliser avec précision la turbulence atmosphérique tout en nécessitant beaucoup moins de calculs que s'ils avaient résolu pour les équations différentielles NS.

Ce changement fondamental leur a essentiellement permis d'ignorer une grande partie des points voisins sur le modèle de grille, réduire le nombre de comportements voisins à prendre en compte et réduire considérablement la charge de calcul.

À la suite de leur enquête, les chercheurs ont utilisé la nouvelle méthode Lattice-Boltzmann à temps de relaxation multiple pour créer un modèle avancé d'environnement de couche limite atmosphérique, qui traitait spécifiquement des écoulements très turbulents dans des domaines complexes et urbains.

C'est la première fois qu'un modèle MRT-LBM avancé est utilisé pour modéliser l'atmosphère.

Le modèle ABLE-LBM nouvellement développé ouvre la voie à une approche hautement polyvalente de la prévision des écoulements dans la couche limite atmosphérique.

En plus de fournir une vitesse de fonctionnement plus rapide et une mise en œuvre des limites complexes plus simple, cette approche est intrinsèquement parallèle et donc compatible avec les architectures parallèles modernes, ce qui en fait une méthode de modélisation potentiellement viable sur les plates-formes de calcul tactiques pour l'armée américaine.

« Sur le champ de bataille, vous voulez des données de turbulence atmosphérique rapidement mais vous n'avez pas forcément de supercalculateurs sous la main, " dit Wang. " Cependant, vous avez une architecture informatique moderne avec des milliers de processeurs qui accélèrent le calcul si l'algorithme est approprié. Avec l'ABLE-LBM, vous pouvez utiliser ces architectures informatiques modernes pour calculer les turbulences sur le champ de bataille sans avoir à vous connecter à un centre de calcul haute performance."

Le développement du modèle ABLE-LBM a des ramifications importantes sur de nombreux autres aspects des opérations de l'armée en plus des prévisions météorologiques.

La turbulence atmosphérique peut affecter de manière significative le comportement des ondes optiques et acoustiques, qui ont un impact direct sur ce que les soldats peuvent voir et entendre.

Il peut jouer un rôle important dans la reconnaissance et modifier le chemin parcouru par un laser ou la façon dont les sons sont émis par un système.

Les petits systèmes aériens sans pilote sont également à la merci des tourbillons de turbulence, qui peut se produire lorsqu'une rafale de vent frappe un bâtiment.

Savoir comment la turbulence se comportera peut aider les sUAS à éviter les collisions et même à profiter des courants ascendants existants pour voler sans leurs hélices afin d'économiser de l'énergie.

Des applications potentielles peuvent également être trouvées en dehors de l'armée dans la vie civile.

Une meilleure connaissance de la turbulence de la couche limite peut aider à la planification civile à la fois dans la préparation et l'intervention d'urgence en cas de déversement de produits chimiques, incendies industriels et autres catastrophes d'origine humaine ou naturelle.

"Beaucoup de gens sont intéressés à appliquer cette méthode dans divers domaines, " a déclaré Wang. " Cette technique a ouvert une nouvelle voie pour modéliser la turbulence atmosphérique. Notre recherche a été la première à ouvrir la voie à cette nouvelle direction, nous avons donc beaucoup de preuves à faire."

Les détails de cette percée sont décrits dans le document, "Simulation d'écoulements stratifiés sur une crête à l'aide d'un modèle en treillis-Boltzmann" par Yansen Wang, Benjamin T. MacCall, Christophe M. Hocut, Xiping Zeng et Harindra J. S. Fernando dans le journal Mécanique des fluides environnementaux .