Cuando viertes crema en una taza de café, el líquido viscoso parece dispersarse perezosamente por toda la taza. Lleve una cuchara para mezclar o una pajita a la taza, aunque, y la crema y el café parecen combinarse rápida y perfectamente en un color más claro y, al menos para algunos, una bebida más agradable.

La ciencia detrás de esta anécdota relativamente simple en realidad habla de una verdad más amplia sobre la dinámica de fluidos compleja y respalda muchos de los avances realizados en el transporte. generación de energía, y otras tecnologías desde la era industrial:los movimientos caóticos aparentemente aleatorios conocidos como turbulencia juegan un papel vital en los procesos químicos e industriales que dependen de la mezcla efectiva de diferentes fluidos.

Si bien los científicos han estudiado durante mucho tiempo los flujos de fluidos turbulentos, su naturaleza caótica inherente ha impedido a los investigadores desarrollar una lista exhaustiva de "reglas confiables, "o modelos universales para describir y predecir con precisión la turbulencia. Este gran desafío ha dejado la turbulencia como uno de los últimos grandes" grandes desafíos "sin resolver en la física.

En años recientes, Los recursos de computación de alto rendimiento (HPC) han desempeñado un papel cada vez más importante en la comprensión de cómo la turbulencia influye en los fluidos en una variedad de circunstancias. Recientemente, Investigadores de la Universidad RWTH Aachen y el centro de investigación CORIA (CNRS UMR 6614) en Francia han estado utilizando recursos de HPC en el Centro de Supercomputación Jülich (JSC), uno de los tres centros HPC que componen el Gauss Center for Supercomputing (GCS), para ejecutar simulaciones numéricas directas (DNS) de alta resolución de configuraciones turbulentas, incluidas las llamas en chorro. Aunque es extremadamente costoso desde el punto de vista computacional, El DNS de turbulencia permite a los investigadores desarrollar mejores modelos para funcionar con recursos informáticos más modestos que pueden ayudar a los investigadores académicos o industriales a utilizar los efectos de la turbulencia en un flujo de fluido determinado.

"El objetivo de nuestra investigación es, en última instancia, mejorar estos modelos, específicamente en el contexto de aplicaciones de combustión y mezcla, "dijo el Dr. Michael Gauding, Científico e investigador de CORIA en el proyecto. El trabajo reciente del equipo se acaba de nombrar el artículo distinguido del coloquio "Turbulent Flames", que sucedió como parte del 38º Simposio Internacional sobre Combustión.

Arranca y se detiene

A pesar de su aparentemente aleatorio, características caóticas, Los investigadores han identificado algunas propiedades importantes que son universales, o al menos muy común, para turbulencias en condiciones específicas. Investigadores que estudian cómo se mezclan el aire y el combustible en una reacción de combustión, por ejemplo, Confíe en la turbulencia para garantizar una alta eficiencia de mezcla. Gran parte de ese importante movimiento turbulento puede provenir de lo que sucede en un área delgada cerca del borde de la llama, donde sus movimientos caóticos chocan con los fluidos que fluyen más suaves a su alrededor. Esta área, la interfaz turbulenta-no turbulenta (TNTI), tiene grandes implicaciones para comprender la mezcla turbulenta.

Mientras ejecutan sus cálculos de DNS, Gauding y su colaborador, Mathis Bode de RWTH Aachen, se propuso enfocar específicamente en esto algunos de los más sutiles, fenómenos más complejos que tienen lugar en el TNTI.

Específicamente, los investigadores querían comprender mejor las raras pero poderosas fluctuaciones llamadas "intermitencia", un proceso irregular que ocurre localmente pero con una amplitud muy alta. En llamas turbulentas, La intermitencia mejora la eficiencia de la mezcla y la combustión, pero un exceso también puede extinguir la llama. Los científicos distinguen entre intermitencia interna, que ocurre en las escalas más pequeñas y es un rasgo característico de cualquier flujo turbulento completamente desarrollado, e intermitencia externa, que se manifiesta al borde de la llama y depende de la estructura del TNTI.

Incluso utilizando recursos HPC de clase mundial, ejecutar grandes simulaciones DNS de turbulencia es computacionalmente costoso, como los investigadores no pueden utilizar suposiciones sobre el movimiento del fluido, sino que resuelva las ecuaciones que gobiernan todas las escalas relevantes en un sistema dado, y el rango de escala aumenta con la "fuerza" de la turbulencia como ley de potencia. Incluso entre los investigadores con acceso a los recursos de HPC, Las simulaciones a menudo carecen de la resolución necesaria para resolver completamente la intermitencia, que ocurre en capas delgadas confinadas.

Para Bode y Gauding, comprender la turbulencia a pequeña escala que ocurre en el delgado límite de la llama es el punto. "Nuestras simulaciones están muy resueltas y están interesadas en estas capas delgadas, "Dijo Bode." Para las tiradas de producción, la resolución de la simulación es significativamente más alta en comparación con simulaciones de DNS similares para resolver con precisión las fuertes ráfagas que están conectadas a la intermitencia ".

Los investigadores pudieron utilizar las supercomputadoras JUQUEEN, JURECA, y JUWELS en JSC para construir una base de datos completa de simulaciones de turbulencia. Por ejemplo, se ejecutó una simulación durante varios días en el módulo JUQUEEN completo, empleando a los 458, 752 núcleos de cómputo durante la "Gran Semana" del centro en 2019, simulando un flujo de chorro con aproximadamente 230 mil millones de puntos de cuadrícula.

Mezclar y combinar

Con una mejor comprensión del papel que juega la intermitencia, el equipo toma datos de sus ejecuciones de DNS y los usa para mejorar simulaciones de remolinos grandes (LES) menos exigentes desde el punto de vista computacional. Aunque sigue siendo perfectamente preciso para una variedad de objetivos de investigación, Los LES se encuentran en algún lugar entre una simulación ab initio que comienza sin suposiciones y un modelo que ya ha incluido ciertas reglas sobre cómo se comportarán los fluidos.

El estudio de las llamas de chorro turbulento tiene implicaciones para una variedad de objetivos de ingeniería, desde tecnologías aeroespaciales hasta centrales eléctricas. Si bien muchos investigadores que estudian la dinámica de fluidos tienen acceso a recursos de HPC como los de JSC, Otros no lo hacen. Los modelos LES a menudo pueden ejecutarse con recursos informáticos más modestos, y el equipo puede usar sus datos de DNS para ayudar a informar mejor estos modelos LES, haciendo que las simulaciones menos exigentes desde el punto de vista computacional sean más precisas. "En general, Los modelos LES actuales no pueden explicar con precisión estos fenómenos en las proximidades del TNTI, "Dijo Gauding.

El equipo pudo escalar su aplicación para aprovechar al máximo los recursos informáticos de JSC parcialmente al participar regularmente en eventos de capacitación y talleres celebrados en JSC. A pesar de que ya puede aprovechar grandes cantidades de potencia HPC, aunque, el equipo reconoce que este desafío científico es lo suficientemente complejo como para que incluso los sistemas HPC de próxima generación sean capaces de alcanzar un rendimiento a exaescala, un poco más del doble de rápido que el superordenador más rápido de la actualidad, la supercomputadora Fugaku en RIKEN en Japón, puede que no sea capaz de simular completamente estas dinámicas turbulentas. Sin embargo, cada avance computacional permite al equipo aumentar los grados de libertad e incluir física adicional en sus simulaciones. Los investigadores también están considerando el uso de enfoques más basados ​​en datos para incluir la intermitencia en las simulaciones, además de mejorar, desarrollando, y validación de modelos basados ​​en los datos de DNS del equipo.