Un nouveau cadre théorique a été développé et testé à l'aide du supercalculateur Stampede2 pour comprendre les sauts turbulents des grandeurs thermodynamiques moyennes, structure de choc et facteurs d'amplification. La turbulence vient de la gauche sur cette image, frapper le choc, et en quittant le domaine par la droite. Cette image tridimensionnelle montre la structure de l'enstrophie et colorée par le nombre de Mach local avec le choc en gris. Crédit :Chang-Hsin Chen, TAMU.
Cela peut être un choc, si tu vas assez vite. Le choc étant des ondes de choc. Le « pop » d'un ballon est constitué d'ondes de choc générées par des morceaux explosés du ballon se déplaçant plus rapidement que la vitesse du son. Les avions supersoniques génèrent un boom sonique beaucoup plus fort, ' aussi des ondes de choc. Plus loin dans le cosmos, une étoile qui s'effondre génère des ondes de choc à partir de particules se déplaçant près de la vitesse de la lumière alors que l'étoile devient une supernova. Les scientifiques utilisent des superordinateurs pour mieux comprendre les écoulements turbulents qui interagissent avec les ondes de choc. Cette compréhension pourrait aider à développer des avions supersoniques et hypersoniques, allumage moteur plus efficace, ainsi que sonder les mystères des explosions de supernova, formation d'étoiles, et plus.
« Nous avons proposé un certain nombre de nouvelles façons de comprendre les interactions de turbulence de choc, " a déclaré Diego Donzis, professeur agrégé au Département de génie aérospatial de la Texas A&M University. Donzis est co-auteur de l'étude, "Interactions choc-turbulence à haute intensité de turbulence, " publié en mai 2019 dans le Journal de mécanique des fluides . "Nous avons proposé que, au lieu de traiter le choc comme une discontinuité, il faut tenir compte de son épaisseur finie comme dans la vie réelle qui peut être impliquée en tant que paramètre déterminant dans, par exemple, facteurs d'amplification, " a déclaré Donzis.
Le cadre théorique dominant pour les interactions de turbulence de choc remonte aux années 1950, développé par Herbert Ribner alors qu'il était à l'Université de Toronto, Ontario. Son travail a soutenu la compréhension des interactions de turbulence et de chocs avec un linéaire, théorie non visqueuse, ce qui suppose que le choc est une véritable discontinuité. Le problème entier peut ainsi être réduit à quelque chose de mathématiquement traitable, où les résultats ne dépendent que du nombre de Mach du choc, le rapport de la vitesse d'un corps à la vitesse du son dans le milieu environnant. Au fur et à mesure que la turbulence traverse le choc, il est généralement amplifié en fonction du nombre de Mach.
Des expériences et des simulations de Donzis et de ses collègues ont suggéré que cette amplification dépend également du nombre de Reynolds, une mesure de la force de la turbulence, et le nombre turbulent de Mach. "Nous avons proposé une théorie qui combinait tout cela en un seul paramètre, " Dit Donzis. " Et quand nous avons proposé cette théorie il y a quelques années, nous n'avions pas de données bien résolues à très haute résolution pour tester certaines de ces idées."
Entrez dans Stampede2, un supercalculateur de 18 pétaflops au Texas Advanced Computing Center, partie de l'Université du Texas à Austin. Stampede2 est l'ordinateur le plus puissant des États-Unis pour la recherche en science ouverte, où les résultats sont mis à disposition gratuitement. Donzis a obtenu du temps de calcul sur Stampede2 via XSEDE, l'environnement de découverte des sciences et de l'ingénierie extrêmes. Stampede2 et XSEDE sont tous deux financés par la National Science Foundation.
"Sur la débandade2, nous avons exécuté un très grand ensemble de données d'interactions de turbulence de choc dans différentes conditions, en particulier à des niveaux d'intensité de turbulence élevés, avec un degré de réalisme au-delà de ce que l'on trouve typiquement dans la littérature en termes de résolution aux petites échelles, en termes d'ordre du schéma que nous avons utilisé, " a déclaré Donzis. " Merci à Stampede2, nous pouvons non seulement montrer comment les facteurs d'amplification s'échelonnent, mais aussi dans quelles conditions nous attendons que la théorie de Ribner soit valable, et dans quelles conditions notre mise à l'échelle précédemment proposée est la plus appropriée."
L'auteur principal de l'étude, Chang Hsin Chen, a ajouté que, "Nous avons également examiné la structure du choc et, grâce à des simulations hautement résolues, nous avons pu comprendre comment les turbulences créent des trous sur l'amortisseur. Cela n'a été possible que grâce à la puissance de calcul fournie par Stampede2. " Chen est chercheur postdoctoral au Laboratoire national d'aérothermochimie de l'Université Texas A&M. Ses recherches portent sur la turbulence compressible et les ondes de choc, et la dynamique des fluides computationnelle à haute performance.
Les co-auteurs de l'étude sur la turbulence de choc Chang Hsin Chen (à gauche) et Diego Donzis (à droite), illustré avec le supercalculateur Stampede2. Crédit :TACC
Donzis a ajouté que « Stampede2 nous permet d'exécuter des simulations, certains d'entre eux à des niveaux de réalisme sans précédent, en particulier la résolution à petite échelle dont nous avons besoin pour étudier les processus aux très petites échelles des écoulements turbulents. Certaines de ces simulations s'exécutent sur la moitié de la machine, ou plus, et parfois, ils mettent des mois à s'exécuter."
Quoi de plus, les scientifiques ont également exploré les sauts dits de choc, qui sont des changements brusques de pression et de température lorsque la matière se déplace à travers un choc. "Dans cette étude, nous avons développé et testé un nouveau cadre théorique pour comprendre, par exemple, pourquoi un choc par ailleurs stationnaire commence à se déplacer lorsque le flux entrant est turbulent, " a déclaré Donzis. Cela implique que la turbulence entrante modifie profondément le choc. " La théorie prédit, et les simulations sur Stampede2 confirment que les sauts de pression changent, et comment ils le font lorsque le flux entrant est turbulent. C'est un effet qui n'est en fait pas pris en compte dans l'ouvrage fondateur de Ribner, mais maintenant nous pouvons le comprendre quantitativement, " a déclaré Donzis.
Progresser dans la compréhension de la rencontre entre les turbulences et les chocs n'a pas été chose facile. Une résolution extrême de l'ordre de milliards de points de grille est nécessaire pour capturer les gradients aigus d'un choc à nombre de Reynolds élevé. "Bien que nous soyons limités par combien nous pouvons pousser la plage de paramètres sur Stampede2 ou tout autre ordinateur d'ailleurs, nous avons pu couvrir un très grand espace dans cet espace de paramètres, couvrant des plages de paramètres au-delà de ce qui a été fait auparavant, " a déclaré Donzis.
L'entrée/sortie (E/S) s'est également avérée difficile lors de l'écriture des données sur le disque à un très grand nombre de cœurs. « C'est un cas dans lequel nous avons profité des services de support collaboratif étendus (ECSS) de XSEDE, et nous avons réussi à optimiser notre stratégie, " a déclaré Donzis. " Nous sommes maintenant convaincus que nous pouvons continuer à augmenter la taille de nos simulations avec la nouvelle stratégie et continuer à faire des E/S à un coût de calcul raisonnable. "
Donzis n'est pas étranger à XSEDE, qu'il utilise depuis des années quand il s'appelait Teragrid, développer les codes de son groupe, à commencer par le système LeMieux du Pittsburgh Supercomputing Center; Blue Horizon au Supercomputer Center de San Diego; Kraken à l'Institut national des sciences informatiques ; et maintenant sur Stampede1 et Stampede2 au TACC.
« Un certain nombre de succès que nous avons aujourd'hui sont dus au soutien continu de XSEDE, et Teragrid, pour la communauté scientifique. La recherche que nous sommes capables de faire aujourd'hui et toutes les réussites sont en partie le résultat de l'engagement continu de la communauté scientifique et des agences de financement pour maintenir une cyberinfrastructure qui nous permet de relever les plus grands défis scientifiques et technologiques auxquels nous sommes et pouvons faire face. à l'avenir. Cela est vrai non seulement pour mon groupe, mais peut-être aussi pour le reste de la communauté informatique scientifique aux États-Unis. Je pense que le projet XSEDE et ses prédécesseurs dans ce sens ont été un formidable catalyseur, " a déclaré Donzis.
Donzis croit fermement que les progrès du calcul haute performance (HPC) se traduisent directement par des avantages pour l'ensemble de la société. "Tout impact en HPC aura des répercussions dans le transport, processus industriels, fabrication, la défense, essentiellement la vie quotidienne des gens ordinaires, comme la plupart de nos vies sont imprégnées de produits et services technologiques qui, à un moment ou à un autre, bénéficient de calculs numériques à différentes échelles, " a déclaré Donzis. Et les progrès dans la compréhension de la turbulence ont un impact sur un large éventail d'applications, il ajouta.
Dit Donzis :« Les progrès dans la compréhension des interactions de turbulence de choc pourraient conduire à des vols supersoniques et hypersoniques, en faire une réalité pour que les gens volent en quelques heures d'ici vers l'Europe; exploration de l'espace; et même notre compréhension de la structure de l'univers observable. Cela pourrait aider à répondre, pourquoi sommes nous ici? Plus terre à terre, comprendre la turbulence dans les écoulements compressibles pourrait conduire à de grandes améliorations de l'efficacité de la combustion, réduction de la traînée et transport général."
