這項研究提供了關(guān)于罕見、劇烈波動更精確的數(shù)據(jù)，這些波動會導(dǎo)致重大的現(xiàn)實影響，例如5級龍卷風(fēng)或引擎故障。

美國研究人員在功能強(qiáng)大的“前沿”（Frontier）超級計算機(jī)上進(jìn)行了歷史上最大規(guī)模的三維湍流模擬。佐治亞理工學(xué)院的研究人員憑借創(chuàng)紀(jì)錄的計算能力，使用“前沿”超級計算機(jī)在35萬億個網(wǎng)格點上繪制了三維流體混沌狀態(tài)。據(jù)稱，這是有史以來最大規(guī)模的湍流直接數(shù)值模擬。

通過解碼湍流波動的核心機(jī)制，這項研究提供了一個新的視角，用以觀察從全球海洋的大尺度環(huán)流到噴氣發(fā)動機(jī)內(nèi)部高壓環(huán)境等各種現(xiàn)象。這些理論發(fā)現(xiàn)可能有助于實際應(yīng)用，例如提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性，以及設(shè)計下一代超高效能運(yùn)載工具和翼型。

領(lǐng)導(dǎo)該項目的佐治亞理工學(xué)院航空航天工程學(xué)教授楊炳融表示：“這項工作將對計算機(jī)建模以及空氣、水或其他流體流動發(fā)揮重要作用的眾多學(xué)科領(lǐng)域的實際應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響?！?/p>

理解湍流

湍流之所以難以研究，是因為它涉及巨大時空尺度范圍內(nèi)的混沌波動。然而，在最小尺度上，這些運(yùn)動遵循在不同環(huán)境下都保持一致的“統(tǒng)計普適”模式?？茖W(xué)家們長期以來從理論上認(rèn)為，這種普適性會隨著湍流強(qiáng)度增加而變得更加清晰，但直到“前沿”超級計算機(jī)的百億億次級（Exascale）計算能力，才得以模擬出足夠精細(xì)的動態(tài)過程來證明這一點。

為了理解其規(guī)模，可以想象一個數(shù)字立方體。在這個立方體內(nèi)，研究人員沿著每一條邊設(shè)置了32768個點。在每一個點上，“前沿”超級計算機(jī)計算了慣性力與摩擦力之間無形的拉鋸戰(zhàn)。這使得研究團(tuán)隊能夠達(dá)到2500的雷諾數(shù)，這一物理保真度水平終于讓計算機(jī)模型能與真實世界的實驗室實驗相媲美。

楊炳融說：“這是一個超越了世界上任何其他機(jī)器能力的規(guī)模。”他表示：“我們現(xiàn)在可以說，數(shù)值模擬的結(jié)果非常可靠，它們能讓我們驗證一些關(guān)于湍流的假說。我們可以檢驗基礎(chǔ)理論，以了解如何進(jìn)行修正——因為所有針對此類復(fù)雜現(xiàn)象建立的湍流理論都不可避免地存在不完善之處?！?/p>

極端事件的行為

這項研究的一個核心焦點是“極端事件”的行為——即經(jīng)典理論常常無法預(yù)測的、罕見的、局部的劇烈波動。這些異常值是造成5級龍卷風(fēng)、發(fā)動機(jī)“自行熄火”和空氣污染高度集中等高影響現(xiàn)象的原因。由于這些事件是零星發(fā)生且混沌無序的，該研究從“是否會發(fā)生”的確定性方法，轉(zhuǎn)向了隨機(jī)（統(tǒng)計）模型，該模型計算這些波動的概率分布，以便更好地應(yīng)對其巨大的現(xiàn)實后果。

此外，該研究還揭示了能量耗散（運(yùn)動如何轉(zhuǎn)化為熱量）與渦度擬能（衡量局部旋轉(zhuǎn)或渦量強(qiáng)度的指標(biāo)）的概率分布之間存在差異。研究結(jié)果還表明，小尺度湍流的間歇性比以往認(rèn)為的更強(qiáng)。借助這些統(tǒng)計修正，研究人員可以更準(zhǔn)確地預(yù)測能量在混沌環(huán)境（如強(qiáng)風(fēng)暴形成過程）中的行為。

為了最大限度地提高“前沿”超級計算機(jī)的效率，該團(tuán)隊采用了“多分辨率獨(dú)立模擬”方案。這項技術(shù)使他們能夠捕捉湍流尺度上最精細(xì)的細(xì)節(jié)，同時避免了無限期運(yùn)行全尺寸模擬所帶來的難以承受的計算成本。

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