Esto puede ser un shock, si te mueves lo suficientemente rápido. El impacto son ondas de choque. El 'estallido' de un globo son ondas de choque generadas por la explosión de pedazos del globo que se mueven más rápido que la velocidad del sonido. Los aviones supersónicos generan un boom sónico mucho más fuerte, 'también de ondas de choque. Más lejos en el cosmos una estrella que colapsa genera ondas de choque a partir de partículas que corren cerca de la velocidad de la luz cuando la estrella se convierte en supernova. Los científicos están utilizando supercomputadoras para comprender mejor los flujos turbulentos que interactúan con las ondas de choque. Esta comprensión podría ayudar a desarrollar aviones supersónicos e hipersónicos, encendido del motor más eficiente, así como investigar los misterios de las explosiones de supernovas, formación de estrellas, y más.

"Propusimos una serie de nuevas formas en las que se pueden entender las interacciones de la turbulencia de choque, "dijo Diego Donzis, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Texas A&M. Donzis fue coautor del estudio, "Interacciones choque-turbulencia a altas intensidades de turbulencia, "publicado en mayo de 2019 en Revista de mecánica de fluidos . "Nosotros propusimos que, en lugar de tratar el shock como una discontinuidad, uno necesita tener en cuenta su espesor finito como en la vida real que puede estar involucrado como un parámetro gobernante en, por ejemplo, factores de amplificación, "Dijo Donzis.

El marco teórico dominante para las interacciones de turbulencia de choque se remonta a la década de 1950, desarrollado por Herbert Ribner mientras estaba en la Universidad de Toronto, Ontario. Su trabajo apoyó la comprensión de las interacciones de las turbulencias y los choques con un teoría no viscosa, que asume que el choque es una verdadera discontinuidad. Así, todo el problema puede reducirse a algo matemáticamente manejable, donde los resultados dependen solo del número de Mach de la descarga, la relación entre la velocidad de un cuerpo y la velocidad del sonido en el medio circundante. Mientras la turbulencia atraviesa el impacto, típicamente se amplifica dependiendo del número de Mach.

Los experimentos y simulaciones de Donzis y sus colegas sugirieron que esta amplificación depende también del Número de Reynolds, una medida de la fuerza de la turbulencia, y el turbulento número de Mach. "Propusimos una teoría que combinaba todos estos en un solo parámetro, ", Dijo Donzis." Y cuando propusimos esta teoría hace un par de años, no teníamos datos bien resueltos a muy alta resolución para probar algunas de estas ideas ".

Entra Stampede2, una supercomputadora de 18 petaflop en el Centro de Computación Avanzada de Texas, parte de la Universidad de Texas en Austin. Stampede2 es la computadora más poderosa de EE. UU. Para la investigación científica abierta, donde los resultados están disponibles gratuitamente. Donzis recibió tiempo de cómputo en Stampede2 a través de XSEDE, el entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas. Tanto Stampede2 como XSEDE están financiados por la National Science Foundation.

"En Stampede2, Ejecutamos un conjunto de datos muy grande de interacciones de turbulencia de choque en diferentes condiciones, especialmente a altos niveles de intensidad de turbulencia, con un grado de realismo que va más allá de lo que se encuentra típicamente en la literatura en términos de resolución a pequeña escala, en términos del orden del esquema que usamos, "Dijo Donzis." Gracias a Stampede2, No solo podemos mostrar cómo escalan los factores de amplificación, pero también bajo qué condiciones esperamos que se mantenga la teoría de Ribner, y bajo qué condiciones nuestra escala propuesta anteriormente es la más apropiada ".

El autor principal del estudio, Chang Hsin Chen, agregó que, "También analizamos la estructura del impacto y, a través de simulaciones de alta resolución, pudimos comprender cómo la turbulencia crea agujeros en el amortiguador. Esto solo fue posible gracias a la potencia computacional proporcionada por Stampede2 ". Chen es un investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Aerotermoquímica de la Universidad Texas A&M. Su investigación se centra en la turbulencia compresible y las ondas de choque, y dinámica de fluidos computacional de alto rendimiento.

Donzis añadió que "Stampede2 nos permite ejecutar simulaciones, algunos de ellos a niveles de realismo sin precedentes, en particular, la resolución a pequeña escala que necesitamos para estudiar procesos a escalas muy pequeñas de flujos turbulentos. Algunas de estas simulaciones se ejecutan en la mitad de la máquina, o más, ya veces tardan meses en ejecutarse ".

Y lo que es más, los científicos también exploraron los llamados saltos de choque, que son cambios abruptos de presión y temperatura a medida que la materia se mueve a través de un choque. "En este estudio desarrollamos y probamos un nuevo marco teórico para comprender, por ejemplo, por qué un choque que de otro modo sería estacionario comienza a moverse cuando el flujo entrante es turbulento, "Dijo Donzis. Esto implica que la turbulencia entrante altera profundamente el impacto". La teoría predice, y las simulaciones en Stampede2 confirman que los saltos de presión cambian, y cómo lo hacen cuando el flujo entrante es turbulento. Este es un efecto que en realidad no se tiene en cuenta en el trabajo seminal de Ribner, pero ahora podemos entenderlo cuantitativamente, "Dijo Donzis.

Avanzar en la comprensión de cuándo la turbulencia se encuentra con los choques no fue fácil. Se necesita una resolución extrema del orden de miles de millones de puntos de cuadrícula para capturar los gradientes nítidos de un choque en un número de Reynolds alto. "Si bien estamos limitados por cuánto podemos impulsar el rango de parámetros en Stampede2 o en cualquier otra computadora, hemos podido cubrir un espacio muy grande en este espacio de parámetros, abarcando rangos de parámetros más allá de lo que se ha hecho antes, "Dijo Donzis.

La entrada / salida (E / S) también resultó ser un desafío al escribir los datos en el disco en recuentos de núcleos muy grandes. "Esta es una instancia en la que aprovechamos los Servicios de soporte colaborativo extendido (ECSS) de XSEDE, y pudimos optimizar con éxito nuestra estrategia, ", Dijo Donzis." Ahora estamos seguros de que podemos seguir aumentando el tamaño de nuestras simulaciones con la nueva estrategia y seguir haciendo E / S a un costo computacional razonable ".

Donzis no es ajeno a XSEDE, que ha utilizado durante años cuando se llamaba Teragrid, para desarrollar los códigos de su grupo, comenzando con el sistema LeMieux en el Pittsburgh Supercomputing Center; Blue Horizon en el Supercomputer Center de San Diego; Kraken en el Instituto Nacional de Ciencias Computacionales; y ahora en Stampede1 y Stampede2 en TACC.

"Varios de los éxitos que tenemos hoy se deben al apoyo continuo de XSEDE, y Teragrid, para la comunidad científica. La investigación que somos capaces de hacer hoy y todas las historias de éxito son en parte el resultado del compromiso continuo de la comunidad científica y las agencias de financiamiento para sostener una infraestructura cibernética que nos permita abordar los mayores desafíos científicos y tecnológicos que enfrentamos y podemos enfrentar. en el futuro. Esto es cierto no solo para mi grupo, pero quizás también para el resto de la comunidad científica informática de EE. UU. Creo que el proyecto XSEDE y sus predecesores en este sentido han sido un gran facilitador, "Dijo Donzis.

Donzis cree firmemente que los avances en la informática de alto rendimiento (HPC) se traducen directamente en beneficios para toda la sociedad. "Cualquier impacto en HPC tendrá repercusiones en el transporte, procesos industriales, fabricación, defensa, esencialmente la vida cotidiana de la gente común, Dado que la mayor parte de nuestras vidas están impregnadas de productos y servicios tecnológicos que en una etapa u otra se benefician de cálculos numéricos de diferentes escalas, ", Dijo Donzis. Y los avances en la comprensión de la turbulencia impactan en una amplia gama de aplicaciones, añadió.

Donzis dijo:"Los avances en la comprensión de las interacciones de la turbulencia de choque podrían conducir a un vuelo supersónico e hipersónico, hacerlos realidad para que la gente vuele en unas horas de aquí a Europa; exploración espacial; e incluso nuestra comprensión de la estructura del universo observable. Podría ayudar a responder ¿Por qué estamos aquí? Más abajo a la tierra, comprender la turbulencia en los flujos compresibles podría conducir a grandes mejoras en la eficiencia de la combustión, reducción de arrastre y transporte en general ".