En 2018, Los pasajeros a bordo de un vuelo a Australia experimentaron una aterradora caída en picada de 10 segundos cuando un vórtice que seguía a su avión se cruzó en la estela de otro vuelo. La colisión de estos vórtices, la aerolínea sospechaba, creó violentas turbulencias que llevaron a una caída libre.

Para ayudar a diseñar aviones que puedan maniobrar mejor en situaciones extremas, Los investigadores de la Universidad de Purdue han desarrollado un enfoque de modelado que simula todo el proceso de una colisión de vórtice en un tiempo computacional reducido. Este conocimiento de la física podría incorporarse a los códigos de diseño de ingeniería para que la aeronave responda de manera adecuada.

Las simulaciones que los diseñadores de aviones utilizan actualmente capturan solo una parte de los eventos de colisión de vórtices y requieren un procesamiento de datos extenso en una supercomputadora. No poder simular fácilmente todo lo que sucede cuando chocan los vórtices tiene diseños de aviones limitados.

Con simulaciones más realistas y completas, los ingenieros podrían diseñar aviones como aviones de combate capaces de maniobras más abruptas o helicópteros que puedan aterrizar de forma más segura en portaaviones, dijeron los investigadores.

El profesor de ingeniería mecánica Carlo Scalo y su equipo de investigación utilizan supercomputadoras para desarrollar modelos que simulan de manera eficiente los fenómenos de flujo de vórtices.

"Las aeronaves en condiciones extremas no pueden depender de modelos simples, "dijo Carlo Scalo, un profesor asociado de Purdue de ingeniería mecánica con un nombramiento de cortesía en aeronáutica y astronáutica.

"Solo para solucionar algunos de estos cálculos puede ser necesario ejecutarlos en mil procesadores durante un mes. Se necesitan cálculos más rápidos para diseñar aviones".

Los ingenieros aún necesitarían una supercomputadora para ejecutar el modelo que desarrolló el equipo de Scalo, pero serían capaces de simular una colisión de vórtice en aproximadamente una décima a una centésima parte del tiempo utilizando muchos menos recursos computacionales que los que normalmente se requieren para cálculos a gran escala.

Los investigadores llaman al modelo una "simulación de remolinos grandes (LES) que preservan la vorticidad coherente (CvP)". El desarrollo de cuatro años de este modelo se resume en un artículo publicado en el Revista de mecánica de fluidos .

“El modelo CvP-LES es capaz de capturar física supercompleja sin tener que esperar un mes en una supercomputadora porque ya incorpora conocimientos de la física que los cálculos de escala extrema tendrían que reproducir meticulosamente, "Dijo Scalo.

El ex investigador postdoctoral de Purdue, Jean-Baptiste Chapelier, dirigió el proceso de dos años de construcción del modelo. Xinran Zhao, otro investigador postdoctoral de Purdue en el proyecto, conducido complejo, cálculos a gran escala para demostrar que el modelo es exacto. Estos cálculos permitieron a los investigadores crear una representación más detallada del problema, utilizando más de mil millones de puntos. Para comparacion, un televisor 4K de ultra alta definición utiliza aproximadamente 8 millones de puntos para mostrar una imagen.

Partiendo de esta base, los investigadores aplicaron el modelo CvP-LES a los eventos de colisión de dos tubos de vórtice llamados vórtices anudados en forma de trébol que se sabe que siguen las alas de un avión y "bailan" cuando se vuelven a conectar.

Este baile es extremadamente difícil de capturar.

"Cuando los vórtices chocan, hay un choque que crea mucha turbulencia. Es muy difícil de simular computacionalmente porque tienes un evento localizado intenso que ocurre entre dos estructuras que parecen bastante inocentes y sin incidentes hasta que chocan. "Dijo Scalo.

Usando la supercomputadora Brown en Purdue para cálculos de tamaño medio y las instalaciones del Departamento de Defensa para cálculos a gran escala, el equipo procesó datos sobre los miles de eventos que tienen lugar cuando estos vórtices bailan y construyó ese conocimiento de física en el modelo. Luego utilizaron su modelo de turbulencia para simular toda la danza de colisión.

Los ingenieros podrían simplemente ejecutar el modelo listo para usar para simular vórtices durante cualquier período de tiempo para parecerse mejor a lo que sucede alrededor de una aeronave. Dijo Scalo. Los físicos también podrían reducir el modelo para experimentos de dinámica de fluidos.

"Lo realmente inteligente del enfoque del Dr. Scalo es que utiliza información sobre la física del flujo para decidir la mejor táctica para calcular la física del flujo, "dijo Matthew Munson, gerente de programa de dinámica de fluidos en la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.

"Es una estrategia inteligente porque hace que el método de solución sea aplicable a una variedad más amplia de regímenes que muchos otros enfoques. Existe un enorme potencial para que esto tenga un impacto real en el diseño de plataformas de vehículos y sistemas de armas que permitirán a nuestros soldados cumplir sus misiones ".

El equipo de Scalo utilizará la supercomputadora de clúster comunitario más reciente de Purdue, Campana, para continuar su investigación de flujos vorticales complejos. El equipo también está trabajando con el Departamento de Defensa para aplicar el modelo CvP-LES a casos de prueba a gran escala relacionados con helicópteros como helicópteros.

"Si puede simular con precisión los miles de eventos en curso como los que provienen de la pala de un helicóptero, podría diseñar sistemas mucho más complejos, "Dijo Scalo.