ابررایانه ها به دانشمندان کمک می کنند تا گرداب ها و تلاطم ها را مطالعه کنند – ScienceDaily

[ad_1]

موضوع گرداب ها ممکن است باطنی به نظر برسد. اما تأثیر آنها، همانطور که اخیراً در یک انفجار گردباد، گرداب‌های دوار که حداقل 80 نفر را در هشت ایالت ایالات متحده در دسامبر 2021 کشتند، خبرساز شد. که با طوفان ها، گردابه ها در جریان هوا یا آب، کشش آیرودینامیکی، احتراق سوخت و غیره نیز نشان داده شده اند.

بر اساس مطالعه اخیر دانشمندان دانشگاه فنی تگزاس، شبیه سازی های ابررایانه ای به دانشمندان کمک می کند تا بینش عمیق تری از ویژگی های اسرارآمیز گرداب ها و تلاطم ها به دست آورند. کاربرد احتمالی تحقیقات آنها می تواند به بهبود بهره وری سوخت برای خودروها کمک کند و به توسعه طرح های صرفه جویی در انرژی هواپیما و موارد دیگر کمک کند.

مطالعات گردابی آنها در ژانویه 2022 منتشر شد بررسی سالانه مکانیک سیالات. “یکی از یافته‌های این مطالعه این است که ما متوجه می‌شویم وقتی دو گرداب متضاد به هم می‌رسند، دوباره به هم می‌پیوندند و ترکیب می‌شوند و دو گرداب جدید را تشکیل می‌دهند، و برخی از قسمت‌های غیر مرتبط باقی مانده به‌عنوان رشته‌هایی باقی می‌مانند که ممکن است بیشتر تحت اتصالات مجدد متوالی قرار گیرند.” جی یائو، نویسنده ارشد، یک محقق فوق دکتری در گروه مهندسی مکانیک در تکزاس گفت.

گرداب را دوباره وصل کنید

فضل حسین، رئیس جمهور محترم رئیس جمهور در امور مهندسی، علم و پزشکی و مشاور ارشد رئیس جمهور تگزاس، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: “ما استدلال می کنیم که اتصال مجدد گردباد، جوهره پشت بیشتر آبشارهای تلاطم، اختلاط سیالات و تولید نویز آیرودینامیکی است.” دانشگاه فنی. حسین مشاور یائو و استاد گروه‌های مهندسی مکانیک، فیزیک، مهندسی شیمی، مهندسی نفت، پزشکی داخلی و فیزیولوژی سلولی و بیوفیزیک مولکولی است.

حسین مثالی از اتصال مجدد گرداب در دو مسیر هواپیما زد. در شرایط جوی مناسب، گردابه‌های دوتایی غلتشی دوباره در حلقه‌های گردابی و در نتیجه در آشفتگی به هم می‌پیوندند.

حسین گفت: «هنگامی که گرداب ها دوباره به هم وصل می شوند، دو ساختار بزرگ به علاوه ساختارهای بسیار کوچک ایجاد می کنند. “در ابتدا، مقداری دود در تصاویر آزمایشگاهی مشاهده می‌کنید. اما وقتی دو گرداب بیرون می‌روند و دور می‌شوند، رشته‌هایی را بیرون می‌کشند که در نهایت از بین می‌روند. این جزئیات تنها از طریق شبیه‌سازی‌های عددی با ابرکامپیوترها به دست آمد.”

ابر رایانه ها، حل معادلات گردابی

برای بررسی این مطالعه، یائو و حسین دسترسی ابررایانه‌ای به سیستم Stampede2 در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس از XSEDE، یک محیط اکتشاف علوم و مهندسی شدید که توسط بنیاد ملی علوم (NSF) تامین می‌شود، دریافت کردند. علاوه بر این، آنها از برنامه خدمات پشتیبانی مشارکتی پیشرفته (ECSS) XSEDE بهره بردند، که این تجربه را در اختیار محققان قرار می دهد تا از زمان ابررایانه خود نهایت استفاده را ببرند.

از طریق XSEDE ECSS، Manu Shantaram از مرکز ابررایانه‌ای سن دیگو به ما کمک کرد تا کد خود را تجزیه و تحلیل کنیم. ما رابطه و گفتگوی خوبی با او داشتیم، و او کار خوبی برای پروفایل کد و یافتن مشکلات انجام داد که باعث بهبود کار او شد.

یائو افزود: «ما از پروژه‌های XSEDE و حتی بیشتر از TACC که کارکنان آن در مسائل فنی و عیب‌یابی به ما کمک کرده‌اند، سود زیادی برده‌ایم. “و TACC به ما چیزی بیش از دسترسی ساده به Stampede2 می دهد. TACC همچنین به ما امکان دسترسی به سیستم های Frontera و Lonestar5 را علاوه بر Lonestar6 جدید داد.

یائو و حسین قدرت قابل توجهی از ابر رایانه را از XSEDE، TACC و خوشه محلی آنها در مرکز محاسبات با عملکرد بالا (HPCC) دانشگاه فناوری تگزاس به کار گرفتند. همه چیز برای حل معادلات ناویر-استوکس، که حرکت سیال هوا، آب و موارد دیگر را توصیف می کند، اساسی است. شبیه‌سازی‌های عددی مستقیم آن‌ها منجر به وضوح بسیار در زمان و مکان، توزیع دقیق معیارهایی مانند سرعت، گردابه یا چرخش سیال، آنستروفی – اصطلاحی مرتبط با اتلاف انرژی گرداب، مارپیچی، دما و غلظت اسکالر شده است.

افزایش گرداب ها و استروفی یک سوال ریاضی بسیار اساسی است که به سوال میلیون دلاری مطرح شده توسط موسسه ریاضی Clay مربوط می شود، که وعده پول برای راه حل درست یکی از چندین مسئله جایزه هزاره را داده است.

این سوال مربوط به تشکیل یک تکینگی زمان محدود (FTS) معادلات ناویر-استوکس است، که می تواند به عنوان این سوال فرموله شود که آیا در یک لحظه اولیه و یک میدان سرعت صاف با انرژی جنبشی محدود، میدانی وجود دارد یا خیر. تکینگی در یک زمان محدود در یک تکامل که توسط معادلات تراکم ناپذیر ناویر-استوکس کنترل می شود ظاهر می شود.

یائو گفت: «شبیه‌سازی عددی مستقیم (DNS) با استفاده از ابر رایانه‌ها نیز برای مطالعه شکل‌گیری احتمالی FTS استفاده شده است. شبیه سازی کامپیوتری DNS در دینامیک محاسباتی سیالات برای حل معادلات ناویر-استوکس بدون استفاده از مدل، یک روش محاسبه گران قیمت، استفاده می شود. وی خاطرنشان کرد که شبیه‌سازی‌ها نمی‌توانند شواهد روشنی برای وجود FTS ارائه دهند، زیرا مقیاس طول این پدیده به ناچار به کمتر از وضوح شبکه کامپیوتری کاهش می‌یابد.

“به طور خاص، ما دریافتیم که حداکثر رشد گرداب ها در طول برخورد حلقه های گرداب نازک بسیار کمتر از آن چیزی است که توسط تئوری پیش بینی شده است – به استثنای شکل گیری احتمالی یک تکینگی با زمان محدود برای این پیکربندی. یائو گفت: استفاده از DNS برای تشخیص شباهت خود در مرحله رویکرد اولیه و سپس معرفی یک تحلیل مقیاس‌بندی مناسب نزدیک به زمان تک ممکن است یکی از راه‌های رسیدگی به این مشکل چالش‌برانگیز باشد، اما هنوز پیشرفت کمی حاصل شده است.

بررسی گرداب

یائو گفت، جایی که ابررایانه‌ها به پیشرفت کمک کرده‌اند، دستیابی به نتایجی است که نمایش‌های دقیق‌تر و واقعی‌تری از گرداب‌های پوشش‌دهی شده در بررسی ایجاد کرده‌اند.

یائو گفت: «ما عمدتاً پیشرفت اخیر در اتصال مجدد جریان‌های گردابی در جریان‌های ویسکوز کلاسیک، از جمله مکانیسم فیزیکی، رابطه آن با آبشار تلاطم، تشکیل تکینگی‌های زمان محدود، دینامیک مارپیچی و تولید نویز هواآکوستیک را بررسی کردیم.

در یک مطالعه قبلی، یائو و حسین با دو مکانیسم اصلی در جریان‌های آشفته سروکار داشتند، آبشار آشفتگی و اتصال مجدد گرداب. یائو گفت: «ما همچنین استدلال می‌کنیم و نشان می‌دهیم که اتصال مجدد یکی از مسیرهای غالب برای آبشار انرژی به بهترین مقیاس‌های تلاطم قبل از تبدیل شدن آن به گرما توسط فرآیند اتلاف است.

یک چالش برای مطالعه اتصال مجدد گردابی در جریان های چسبناک این است که اتصال مجدد هرگز کامل نمی شود. بخش‌های غیر متصل را به‌عنوان رزوه‌هایی باقی می‌گذارد که می‌توانند دینامیک غنی (از جمله آبشار مخلوط و آشفته) داشته باشند.

بهمن گرداب ها

به عنوان مثال، آنها اخیرا شبیه سازی های کامپیوتری اتصال مجدد را با اعداد رینولدز متوسط، که نسبت نیروهای اینرسی به ویسکوز هستند، با مقادیر بالاتر مربوط به جریان آشفته تر، تکمیل کردند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که رزوه‌ها می‌توانند علاوه بر این می‌توانند از یک آبشار از اتصالات مجدد ثانویه عبور کنند.

با افزایش تعداد رینولدز، دینامیک حتی پیچیده تر شد.

یائو گفت: «برخورد لوله‌های گرداب منجر به تولید آنی دوقطبی‌های متعدد در رشته‌ها می‌شود. سپس این دوقطبی‌ها تعداد زیادی اتصال مجدد را تجربه می‌کنند که باعث ایجاد بهمنی از گرداب‌های بزرگ در یک ابر متلاطم می‌شود.

حسین افزود: “بهمن”، اصطلاحی که یائو و حسین برای توضیح آبشار در موقعیت‌های مختلف جریان استفاده می‌کنند، بسیار مهم است. ما از شبیه‌سازی رایانه‌ای استفاده کردیم تا نشان دهیم که گرداب‌ها از یک به دو دوباره متصل می‌شوند، بنابراین ناگهان تعداد زیادی گرداب داریم.

حسین گفت: «نوارهای گردابی از سوخت و اکسیژن را تصور کنید. “و ناگهان سوخت و اکسیژن در کنار یکدیگر قرار می گیرند، گرداب های آنها دوباره به هم متصل می شوند. شما می توانید احتراق کامل تری داشته باشید و سوخت کمتری بسوزانید. این می تواند یک پیشرفت بزرگ باشد.”

وی همچنین خاطرنشان کرد: خودروهایی که سوخت می سوزند مانند خودروها، زیردریایی ها، هواپیماها و موشک ها باید بر مقاومت هوای اطراف غلبه کنند.

«به نظر می رسد که تنها در هوانوردی غیرنظامی ایالات متحده، اگر بتوانید مقاومت را یک درصد بهبود بخشید، می توانید سه میلیارد دلار پس انداز کنید. ما راه هایی داریم که فرض کنیم ممکن است بتوانیم مقاومت را 20 تا 30 درصد کاهش دهیم. فوق العاده باش، حسین گفت.

تلاطم دیوار

یائو و حسین همچنین در مقاله ای که در نوامبر 2021 در مجله Physical Review Fluids of the American Physical Society منتشر شد، کاهش مقاومت اصطکاک پوست در برابر تلاطم دیواره در سرعت های مافوق صوت را مطالعه کردند.

یائو گفت: “کنترل تلاطم لغزشی یکی دیگر از حوزه های تحقیقاتی مهم در گروه ما است.”

حسین گفت: «ما فکر می‌کنیم تلاطم ترکیبی از گرداب‌های مختلف با بزرگی‌های متفاوت است. به گفته یائو، پیشرفت های عمده در مطالعه تلاطم دیوار در چند دهه گذشته، کشف، درک و مستندسازی “ساختارهای منسجم” سازمان یافته مانند گرداب ها و نقش مهم آنها در دینامیک دیوار بوده است. گرداب ها عمدتاً یک چرخه تولید خودپایه تلاطم دیوار را تشکیل می دهند.

“به طور کلی، قطع هر مرحله از این چرخه خودپایدار می تواند منجر به سرکوب تولید جریان گردابی و در نتیجه کاهش مقاومت – کاهش مصرف سوخت و آلودگی محیطی شود. ما تکنیک های مختلف کنترل مقاومت را در جریان های غیر قابل تراکم و تراکم پذیر مطالعه کرده ایم. یائو گفت: «مهمتر از همه، با توجه به اینکه حرکات در مقیاس بزرگ و بسیار بزرگ در اعداد رینولدز بالا غالب می‌شوند، ما کنترل جت دیواری مخالف جریان در مقیاس بزرگ و تکنیک‌های کنترل ترکیبی را پیشنهاد کردیم.

شبیه سازی آشفته

توزیع ها توسط XSEDE Stampede2 برای مطالعه گرداب ها و آشفتگی ها اعطا شد. و تیم توزیع جداگانه ای از سیستم Lonestar5 را از TACC و HPCC در دانشگاه فناوری تگزاس دریافت کرد.

یائو و حسین به تحقیقات خود در مورد جریان لوله ای ابررایانه NSF Frontera با بودجه TACC، سریع ترین ابررایانه دانشگاهی جهان ادامه می دهند. هدف اصلی کار آنها بر روی Frontera شبیه سازی جریان لوله ای آشفته با اعداد رینولدز نسبتاً بالا است.

تقریباً نیمی از انرژی مورد استفاده برای انتقال مایعات از طریق لوله‌ها یا وسایل نقلیه از طریق هوا و آب در اثر تلاطم در نزدیکی دیوارها تلف می‌شود. یائو می‌گوید: «بنابراین، درک واضح‌تر از فیزیک مربوط به جریان تأثیر مستقیم و قابل‌توجهی دارد و دانش بهبود یافته از این مشکلات برای یافتن روش‌های علمی برای کنترل پدیده‌های جریان، مانند مقاومت و انتقال گرما و جرم، ضروری است.» .

حسین گفت: “اگرچه این یک موضوع باطنی است، ما نمی توانیم بدون تلاطم زندگی کنیم. خسارت گردبادها و طوفان ها واقعی است. و نمونه هایی از اختلاط، کشیدن، سوزاندن، مقاومت وجود دارد – همه این پدیده ها نیازمند آگاهی از جزئیات هستند. ابررایانه‌ها هنوز به اندازه کافی بزرگ نیستند که تلاطم واقعی را شبیه‌سازی کنند، مانند اعداد رینولدز 10 میلیونی یا بیشتر که در بال جت در حال پرواز یافت می‌شود. منابع محاسباتی عظیمی را می‌طلبد، و ما تازه شروع به خراشیدن سطح می‌کنیم. “

[ad_2]

https://20khababr.ir
https://afkharebartar.ir
https://akhabarebartar.ir
https://andnews.ir
https://avatefepak.ir
https://baranmajale.ir
https://behtaringam.ir
https://daltek.ir
https://elmitarin.ir
https://fardayeashena.ir
https://forbos.ir
https://foxirani.ir
https://gisoon.ir
https://hodhodirani.ir
https://iranisard.ir
https://kahkashani.ir
https://lasttimes.ir
https://lilaki.ir
https://livejame.ir
https://magirani.ir
https://majaleiranian.ir
https://mervina.ir
https://mineralnews.ir
https://modirezard.ir
https://momon.ir
https://moniseh.ir
https://nationaliran.ir
https://netcrafti.ir
https://news-single.ir
https://newsexpress.ir
https://newslife.ir
https://newsspot.ir
https://newsteen.ir
https://nikmag.ir
https://officemag.ir
https://okaziyon.ir
https://one-news.ir
https://pandamag.ir
https://parsroids.ir
https://patris-fun.ir
https://senatornews.ir
https://seratmag.ir
https://sibala.ir
https://sohanian.ir
https://sosokan.ir
https://tazekhabari.ir
https://technoirani.ir
https://timesirani.ir
https://yamorani.ir
https://yandexkhabari.ir
https://abdoosnews.ir
https://zehnenoandinsh.ir
https://abestanews.ir
https://abtinnews.ir
https://akhbarebartaaar.ir
https://akhbaremaaaa.ir
https://akhbareshomaaa.ir
https://akhshijnews.ir
https://atrinnews.ir
https://atroticnews.ir
https://atshnews.ir
https://bashariatemrooz.ir
https://dastesalamatt.ir
https://dostemansalam.ir
https://elementorsite.ir
https://emrooztafahom.ir
https://ensanedirooooooz.ir
https://etelaresankhabar.ir
https://examplenews.ir
https://fardaalefba.ir
https://gisooyekhabar.ir
https://halohekayatha.ir
https://hashtadonoh.ir
https://hekayatfardayeemaaa.ir
https://honarmandkhabar.ir
https://istgaheshomareyek.ir
https://ketabkhoooon.ir
https://kimyagaaaar.ir
https://markazeakhbar.ir
https://masternewss.ir
https://mohamadrezasite.ir
https://morvarideasia.ir
https://mramins.ir
https://naserinews.ir
https://nasermr.ir
https://newsamins.ir
https://newsatropat.ir
https://newscenterals.ir
https://newsmineral.ir
https://newsouls.ir
https://newspishgamannn.ir
https://newssalam.ir
https://newsshans.ir
https://newsworlds.ir
https://parinews.ir
https://patris-music.ir
https://poshtibannews.ir
https://powernewss.ir
https://recordejadid.ir
https://salamnewws.ir
https://23ncfst.ir/
https://amiran-carpet.ir/
https://armanenergytec.ir/
https://blogenews.ir/
https://blogkhoon.ir/
https://bvfars.ir/
https://charsounews.ir/
https://chsnews.ir/
https://dezfil.ir/
https://dmwebmaster.ir/
https://dota2news.ir/
https://erfanhd.ir/
https://etminan110.ir/
https://faratarazkhabar.ir/
https://farsgardi20.ir/
https://footynews.ir/
https://goto98.ir/
https://ilyarkhabar.ir/
https://ir2khabar.ir/
https://iranalmanac.ir/
https://irandaryafest.ir/
https://khabarehaft.ir/
https://khabarontime.ir/
https://lolsms.ir/
https://maadgig.ir/
https://masoudtb.ir/
https://mp3news.ir/
https://music-ha.ir/
https://nakhlestankhabar.ir/
https://newcharge.ir/
https://news-links.ir/
https://news180.ir/
https://pimn.ir/
https://prmf.ir/
https://pvnews.ir/
https://rejawnews.ir/
https://sahab-co.ir/
https://samanbarg.ir/
https://semanews.ir/
https://shirinonews.ir/
https://soheilesonghor.ir/
https://tacity.ir/
https://taktanews.ir/
https://tarabaranmag.ir/
https://telegram-persian.ir/
https://tfcenter.ir/
https://trika.ir/
https://velninews.ir/
https://vidnaz.ir/
https://wajnews.ir/
https://your-news.ir/
https://zangannews.ir/
https://2016downloadnew.ir/
https://paxsolomusic.ir/
https://daryamedia.ir/
https://andikakhabar.ir/
https://seo-pbn.ir/
https://ghezelwich.ir
https://panaztebtabriz.ir
https://shayna-net.ir
https://kanooneslamshahr.ir
https://raynuts.ir
https://honare2.ir
https://itsama.ir
https://flingpet.ir
https://foreverpro.ir
https://fraeesi.ir
https://gkhabar.ir
https://18amlak.ir
https://pooyesh-khabar.ir
https://matsef.ir
https://photo-land.ir
https://tabarestan118.ir
https://disachain.ir
https://chikaapp.ir
https://mahestan18.ir
https://radyaabkala.ir
https://c-civil.ir
https://saeeed.ir
https://copytops.ir
https://modirsearch.ir
https://shz1music.ir
https://m-khosravi.ir
https://iranhayashi.ir
https://iranian-dress.ir
https://gigblog.ir
https://basitcg.ir
https://mashhadhekmat.ir
https://rahetamin.ir
https://radolyamani.ir
https://bnemati.ir
https://face-wood.ir
https://tourvare.ir
https://centertasisat.ir
https://bidarirafsanjan.ir
https://namahaa.ir
https://30pp.ir
https://script-tabadol-link.ir
https://simayesarbedar.ir
https://pakdashtiha.ir
https://rentacars.ir
https://2019movies.ir
https://ekar24.ir
https://saber-ramezani.ir
https://teb-saharsina.ir