En 2018, les passagers à bord d'un vol à destination de l'Australie ont subi un piqué terrifiant de 10 secondes lorsqu'un vortex traînant leur avion a traversé le sillage d'un autre vol. La collision de ces tourbillons, la compagnie aérienne suspectée, créé de violentes turbulences qui ont conduit à une chute libre.

Pour aider à concevoir des avions qui peuvent mieux manœuvrer dans des situations extrêmes, Des chercheurs de l'Université Purdue ont développé une approche de modélisation qui simule l'ensemble du processus d'une collision de vortex à un temps de calcul réduit. Cette connaissance de la physique pourrait ensuite être intégrée dans les codes de conception technique afin que l'avion réagisse de manière appropriée.

Les simulations que les concepteurs d'avions utilisent actuellement ne capturent qu'une partie des événements de collision de vortex et nécessitent un traitement de données étendu sur un supercalculateur. Ne pas être en mesure de simuler facilement tout ce qui se passe lorsque des tourbillons entrent en collision a limité les conceptions d'avions.

Avec des simulations plus réalistes et complètes, les ingénieurs pourraient concevoir des avions tels que des avions de chasse capables de manœuvres plus abruptes ou des hélicoptères pouvant atterrir de manière plus sûre sur des porte-avions, les chercheurs ont dit.

Le professeur de génie mécanique Carlo Scalo et son équipe de recherche utilisent des superordinateurs pour développer des modèles qui simulent efficacement les phénomènes d'écoulement tourbillonnaire.

« Les avions en conditions extrêmes ne peuvent pas se fier à une simple modélisation, " dit Carlo Scalo, un professeur agrégé Purdue de génie mécanique avec un rendez-vous de courtoisie en aéronautique et astronautique.

« Juste pour résoudre certains de ces calculs, il peut être nécessaire de les exécuter sur un millier de processeurs pendant un mois. Vous avez besoin de calculs plus rapides pour concevoir des avions. »

Les ingénieurs auraient toujours besoin d'un superordinateur pour exécuter le modèle développé par l'équipe de Scalo, mais ils seraient capables de simuler une collision de vortex dans environ un dixième à un centième du temps en utilisant beaucoup moins de ressources de calcul que celles généralement requises pour les calculs à grande échelle.

Les chercheurs appellent le modèle une « simulation à grands remous (LES) avec préservation de la vorticité cohérente (CvP) »). Le développement sur quatre ans de ce modèle est résumé dans un article publié dans le Journal de mécanique des fluides .

"Le modèle CvP-LES est capable de capturer une physique super complexe sans avoir à attendre un mois sur un supercalculateur car il intègre déjà des connaissances de la physique que les calculs à grande échelle devraient reproduire méticuleusement, " dit Scalo.

L'ancien chercheur postdoctoral de Purdue, Jean-Baptiste Chapelier, a dirigé le processus de deux ans de construction du modèle. Xinran Zhao, un autre chercheur postdoctoral Purdue sur le projet, complexe mené, calculs à grande échelle pour prouver que le modèle est exact. Ces calculs ont permis aux chercheurs de créer une représentation plus détaillée du problème, utilisant plus d'un milliard de points. En comparaison, un téléviseur ultra haute définition 4K utilise environ 8 millions de points pour afficher une image.

En s'appuyant sur ces bases, les chercheurs ont appliqué le modèle CvP-LES aux événements de collision de deux tubes vortex appelés tourbillons noués en trèfle qui sont connus pour traîner les ailes d'un avion et « danser » lorsqu'ils se reconnectent.

Cette danse est extrêmement difficile à capturer.

"Quand les tourbillons entrent en collision, il y a un affrontement qui crée beaucoup de turbulences. C'est très difficile à simuler informatiquement parce que vous avez un événement localisé intense qui se produit entre deux structures qui semblent assez innocentes et sans incident jusqu'à ce qu'elles entrent en collision, " dit Scalo.

En utilisant le supercalculateur Brown à Purdue pour les calculs de taille moyenne et les installations du ministère de la Défense pour les calculs à grande échelle, l'équipe a traité des données sur les milliers d'événements qui se produisent lorsque ces tourbillons dansent et a intégré ces connaissances physiques dans le modèle. Ils ont ensuite utilisé leur modèle de turbulence pour simuler toute la danse de collision.

Les ingénieurs pourraient simplement exécuter le modèle prêt à l'emploi pour simuler des tourbillons sur n'importe quelle durée afin de ressembler au mieux à ce qui se passe autour d'un avion, dit Scalo. Les physiciens pourraient également réduire le modèle pour les expériences de dynamique des fluides.

"Ce qui est vraiment intelligent dans l'approche du Dr Scalo, c'est qu'elle utilise des informations sur la physique des flux pour décider de la meilleure tactique pour calculer la physique des flux, " a déclaré Matthew Munson, responsable du programme de dynamique des fluides à l'Army Research Office, un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine.

« C'est une stratégie intelligente car elle rend la méthode de solution applicable à une plus grande variété de régimes que de nombreuses autres approches. Il y a un énorme potentiel pour que cela ait un impact réel sur la conception des plates-formes de véhicules et des systèmes d'armes qui permettront à nos soldats de réussir accomplir leurs missions."

L'équipe de Scalo utilisera le tout dernier superordinateur de cluster communautaire de Purdue, Cloche, poursuivre son enquête sur les écoulements tourbillonnaires complexes. L'équipe travaille également avec le ministère de la Défense pour appliquer le modèle CvP-LES à des cas de test à grande échelle relatifs aux giravions tels que les hélicoptères.

"Si vous êtes capable de simuler avec précision les milliers d'événements en flux comme ceux provenant d'une pale d'hélicoptère, vous pourriez concevoir des systèmes beaucoup plus complexes, " dit Scalo.