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先進的超級計算機模擬，已經解決了湍流流體流動中的一個難題，這個問題可能會促使更高效的渦輪和發動機誕生。當流體（如水或空氣）流動足夠快時，流體（將經歷湍流——流體內部的速度和壓力似乎是隨機變化的。湍流很難研究，但對許多工程領域都很重要，比如通過風力渦輪機或噴氣發動機的氣流。例如，更好地理解湍流將使工程師們能夠設計出更高效的渦輪葉片，或者為f1賽車設計出更符合空氣動力學的外形。
然而，目前湍流工程模型往往依賴於基於以往湍流觀測的「經驗」關係來預測將會發生什麼，而不是對基礎物理的全面理解。這是因為基礎物理極其複雜，留下了許多看似簡單卻無法解決的問題。如今，倫敦帝國理工學院的科學家利用超級計算機，在最初為遊戲開發的圖形處理器上運行模擬，來解決一個長期存在的這個難題。
找到解決方案
研究結果發表在2019年7月25日的《流體力學》上，這意味著可以測試經驗模型，並創建新的模型，從而在工程中實現更優化的設計。合著者之一、帝國航空學院的彼得·文森特博士說：我們現在有了一個重要的基本氣流問題的解決方案。這意味著可以根據『正確』答案來檢驗湍流的經驗模型，看看它們在多大程度上描述了實際發生的情況，或者它們是否需要調整。問題很簡單：如果湍流流體在通道中流動並受到擾動，擾動如何在流體中消散？
例如，如果水突然從大壩釋放到河流中，然後被切斷，大壩水的脈衝會對河流流量產生什麼影響？為了確定流體反應的總體「平均」行為，研究團隊需要模擬流體內部無數個較小的反應。使用超級計算機進行了數千次湍流模擬，每一次都需要數十億次計算才能完成。通過這些模擬，能夠確定描述擾動如何在流動中消散的精確參數，並確定經驗湍流模型必須滿足的各種要求。
合著者、帝國航空學院的謝爾蓋·切爾尼申科教授說：從我學習流體力學的第一天起，我就想知道一些基本問題的答案，這就是其中之一，40年後的今天，我找到了答案。研究首次通過一套高保真度圖形處理單元加速直接數值模擬，確定了湍流通道中平均小振幅擾動的特徵模態。雖然控制湍流通道平均小振幅擾動的系統仍然未知，但可以確定這種特徵模態的事實，構成了它是線性的直接證據。
此外，當與最慢衰減對稱特徵模態相關的特徵值為實數時，與最慢衰減對稱特徵模態相關的特徵值為複數。這表明，控制平均小振幅擾動演化的未知線性系統不可能是自伴隨，即使在單向流動的情況下也是如此。研究結果除了闡明了流動物理的各個方面外，還為建立新的非定常雷諾-平均納維-斯託克斯湍流模型提供了指導，並為評價非定常雷諾-平均納維-斯託克斯湍流模型的性能提供了一個新基準問題。
博科園｜研究/來自：倫敦帝國理工學院參考期刊《流體力學》DOI: 10.1017/jfm.2019.520博科園｜科學、科技、科研、科普