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La turbulencia se encuentra con un shock

Esto puede ser una sorpresa, si te estás moviendo lo suficientemente rápido. El shock es ondas de choque. El "estallido" de un globo son ondas de choque generadas por fragmentos explotados del globo que se mueven más rápido que la velocidad del sonido. Los aviones supersónicos generan un 'boom' sónico mucho más fuerte, también a partir de las ondas de choque. Más lejos en el cosmos, una estrella en colapso genera ondas de choque de partículas que corren cerca de la velocidad de la luz a medida que 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, un encendido de motor más eficiente, así como también a explorar los misterios de las explosiones de supernovas, la formación de estrellas y más.

"Propusimos una serie de nuevas formas de entender las interacciones de las turbulencias de choque", dijo Diego Donzis, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Texas A&M. Donzis fue coautor del estudio, "Interacciones de choque-turbulencia a altas intensidades de turbulencia", publicado en mayo de 2019 en el Journal of Fluid Mechanics. "Propusimos que, en lugar de tratar el choque como una discontinuidad, uno debe tener en cuenta su grosor finito como en la vida real, que puede estar involucrado como un parámetro rector en, por ejemplo, los 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 turbulencias y las interacciones de los choques con una teoría lineal e invisible, que supone que el choque es una verdadera discontinuidad. Por lo tanto, todo el problema puede reducirse a algo matemáticamente manejable, donde los resultados dependen solo del número de Mach del choque, la relación entre la velocidad de un cuerpo y la velocidad del sonido en el medio circundante. A medida que la turbulencia atraviesa el choque, generalmente se amplifica dependiendo del número de Mach.

Los experimentos y simulaciones de Donzis y sus colegas sugirieron que esta amplificación también depende del número de Reynolds, una medida de la intensidad de la turbulencia y el número turbulento de Mach. "Propusimos una teoría que combinaba todo esto 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".

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Se desarrolló y probó un nuevo marco teórico utilizando la supercomputadora Stampede2 para comprender los saltos turbulentos de las cantidades termodinámicas medias, la estructura de choque y los factores de amplificación. La turbulencia llega desde la izquierda en esta imagen, golpeando el impacto y dejando el dominio desde la derecha. Esta imagen tridimensional muestra la estructura de la atrofia y está coloreada por el número local de Mach con el choque en gris. (Crédito: Chang-Hsin Chen, TAMU)

Ingrese a 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 en los EE. UU. Para la investigación científica abierta, donde los resultados están disponibles gratuitamente. Donzis recibió el tiempo de cálculo en Stampede2 a través de XSEDE, el Extreme Science and Engineering Discovery Environment. 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 niveles de intensidad de turbulencia alta, con un grado de realismo que está más allá de lo que se encuentra típicamente en la literatura en términos de resolución a escalas pequeñas, en términos del orden del esquema que usamos ", dijo Donzis. "Gracias a Stampede2, no solo podemos mostrar cómo escalan los factores de amplificación, sino también en qué condiciones esperamos que se mantenga la teoría de Ribner, y en qué condiciones nuestra escala propuesta anteriormente es la más apropiada".

El autor principal del estudio, Chang Hsin Chen, agregó que "también observamos la estructura del choque y, a través de simulaciones altamente resueltas, pudimos comprender cómo la turbulencia crea agujeros en el choque. Esto solo fue posible debido a la potencia computacional proporcionada por Estampida2 ". Chen es 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 la dinámica de fluidos computacional de alto rendimiento.

Donzis agregó que "Stampede2 nos permite ejecutar simulaciones, algunas de ellas 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 a la mitad de la máquina, o más, y a veces tardan meses en funcionar ".

Además, los científicos también exploraron los llamados saltos de choque, que son cambios abruptos en la presión y la 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 estacionario comienza a moverse cuando el flujo entrante es turbulento", dijo Donzis. Esto implica que la turbulencia entrante altera profundamente el shock. "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 entiéndelo cuantitativamente ", dijo Donzis.

Avanzar en la comprensión cuando 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 agudos de una descarga en un número alto de Reynolds. "Si bien estamos limitados por cuánto podemos empujar 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". Donzis dijo.

La entrada / salida (E / S) también resultó ser un desafío al escribir los datos en el disco con 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 confiamos en 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 utilizó durante años cuando se llamaba Teragrid, para desarrollar los códigos de su grupo, comenzando con el sistema LeMieux en el Centro de Supercomputación de Pittsburgh; Blue Horizon en el Centro de Supercomputadoras de San Diego; Kraken en el Instituto Nacional de Ciencias Computacionales; y ahora en Stampede1 y Stampede2 en TACC.

"Algunos de los éxitos que tenemos hoy se deben al apoyo continuo de XSEDE y Teragrid a 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 por la comunidad científica y las agencias de financiación para mantener una infraestructura cibernética que nos permita enfrentar los mayores desafíos científicos y tecnológicos que enfrentamos y que podemos enfrentar en el futuro. Esto es cierto no solo para mi grupo, sino también para el resto de la informática científica comunidad en los Estados Unidos. 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, los procesos industriales, la fabricación, la defensa, esencialmente la vida cotidiana de las personas comunes, ya que la mayoría de nuestras vidas están infundidas con productos y servicios tecnológicos que en algún momento u otro se benefician de los cálculos numéricos de diferentes escamas ", dijo Donzis. Y los avances en la comprensión de la turbulencia impactan en una amplia gama de aplicaciones, agregó.

Donzis dijo: "Los avances en la comprensión de las interacciones de las turbulencias de choque podrían conducir a un vuelo supersónico e hipersónico, para hacerlas realidad para que las personas vuelen en unas pocas horas desde aquí a Europa; exploración espacial; e incluso nuestra comprensión de la estructura de la universo observable. Podría ayudar a responder, ¿por qué estamos aquí? Más abajo en la Tierra, comprender la turbulencia en los flujos compresibles podría conducir a grandes mejoras en la eficiencia de la combustión, la reducción de la resistencia y el transporte en general ". (Fuente: Universidad de Texas en Austin, Texas Advanced Computing Center)

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