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利用超级电脑的图像分析解决乱流问题



【本刊讯】当水或空气等流体,在极高速的运动之下,通常会有乱流(turbulence)的现象产生。当乱流出现后,流体内部的速度与压力等数值会随机变化,造成观测及研究的困难。而乱流的研究虽然困难,但其对于空气动力学等工程领域极为重要,举例而言,喷射机的喷射引擎系统便是根据乱流的研究为基础设计。因此,对乱流的研究越透彻,工程师便有依据研发出更高效能的传动系统,甚至是设计更符合空气力学的车型,例如一级方程式赛车(Formula 1)。
 
然而,一般关于乱流的研究与工程,通常仰赖过去的观测结果进行预测。因为与乱流相关的物理机制十分複杂,过去的研究人员只能完全靠经验行事。对此,近日英国伦敦帝国学院(Imperial College London)的研究团队,利用超级电脑,在最初作为电脑游戏开发所使用的图像处理器进行模拟与分析,试图找出乱流潜在的物理原理,并解决这项长期困扰着学者的问题。
 
该研究成果发布于《流体力学》(Journal of Fluid Mechanics)期刊,研究团队试图建构全新的运算机制与模型,进而优化流体力学工程中的各种设计。帝国学院航太系的文森(Peter Vincent)表示,透过利用此分析方式,可以完整解释过往工程师所依赖的经验法则,并解决乱流的问题。他提到,目前乱流的研究遇到的一项问题:一个通道中具有乱流特性的流体出现扰动时,此扰动将如何在流体中消散?举例而言,假设水流瞬间从水坝中倾泻而出释放到河流中,这股水流的冲击将如何影响河流。
 
利用超级电脑的图像分析解决乱流问题

 为了找出问题的答案,团队需要模拟出流体内各个微小的振幅与冲击,并计算乱流的平均振幅扰动。研究人员表示,过程中需以超级电脑进行上千次的乱流模拟,而每一次的模拟都经过高达数10亿的计算才能完成。藉由模拟,研究团队才能确定这些流体内部的各项干扰与冲击消散的确切参数,进而确认过往使用的经验法则是否可行。
 
根据ScienceDaily报导,研究人员切尔努申科(Sergei Chernyshenko)表示,过去40年间,许多流体力学相关的学者都尝试找出乱流相关问题的解答,但由于问题过于複杂,始终没有一个全面的成果。如今40年过去了,透过利用超级电脑的演算,该问题终于能够获得完整的解答。

新闻来源

A. S. Iyer et al., Identifying eigenmodes of averaged small- amplitude perturbations to turbulent channel flow, Journal of Fluid Mechanics, 2019.