新的湍流模型可以帮助设计能够应对极端条件的飞机

一种新的建模方法使工程师可以模拟整个涡旋碰撞，而无需在超级计算机上进行大量的数据处理。

工程师可以在减少计算时间的情况下模拟碰撞涡流的完整“舞蹈”。

2018年，飞往澳大利亚的航班上的乘客经历了令人恐惧的10秒鼻垂，当时飞机上的涡流越过另一次飞行后飞过。航空公司怀疑这些漩涡的碰撞造成了剧烈的湍流，导致自由落体。

为了帮助设计在极端情况下可以更好地操纵的飞机，普渡大学的研究人员开发了一种建模方法，该方法可以在减少计算时间的情况下模拟涡旋碰撞的整个过程。然后，可以将这些物理知识合并到工程设计规范中，以便飞机做出适当的响应。

飞机设计人员当前使用的模拟仅捕获涡旋碰撞事件的一部分，并且需要在超级计算机上进行大量的数据处理。涡旋碰撞无法轻松模拟发生的一切，从而限制了飞机的设计。

研究人员说，通过更现实，更完整的仿真，工程师可以设计能够进行更突然机动的战斗机或直升飞机等飞机，这些飞机可以更安全地降落在航空母舰上。

普渡大学机械工程副教授卡洛·斯卡洛（Carlo Scalo）表示：“处于极端条件下的飞机不能依靠简单的建模。”

“仅对其中一些计算进行故障排除，可能需要在一个月的一千个处理器上运行它们。您需要更快的计算来进行飞机设计。”

工程师仍将需要一台超级计算机来运行Scalo团队开发的模型，但他们将能够使用比大规模计算通常所需的计算资源少得多的计算资源，在大约十分之一至百分之一的时间内模拟涡旋碰撞。

研究人员将该模型称为“相干涡保持（CvP）大涡模拟（LES）”。在《流体力学》杂志上发表的一篇论文中总结了这种模型的四年发展历程。

“ CvP-LES模型能够捕获超级复杂的物理学，而不必在超级计算机上等待一个月，因为它已经包含了对物理知识的了解，而极端规模的计算将不得不对其进行精心再现，” Scalo说。

机械工程教授Carlo Scalo及其研究小组使用超级计算机来开发可有效模拟涡流现象的模型。

普渡大学前博士后研究员让·巴蒂斯特·查佩利尔（Jean-Baptiste Chapelier）领导了两年的模型构建过程。该项目的另一位普渡大学博士后研究员Xinxin Zhao进行了复杂的大规模计算，以证明该模型是准确的。这些计算使研究人员可以使用十亿多个点来更详细地表示问题。为了进行比较，一台4K超高清电视使用大约800万个点来显示图像。

在此基础上，研究人员将CvP-LES模型应用于两个称为三叶形打结涡流的涡流管的碰撞事件，这些涡流管在重新连接时会跟随飞机机翼并“跳舞”。

这种舞蹈很难捕捉。

“当涡流碰撞时，就会发生碰撞，从而产生很多湍流。很难进行计算模拟，因为您会在两个看起来很清白且平整的结构之间发生强烈的局部事件，直到它们发生碰撞为止。” Scalo说。

该团队使用普渡大学的Brown超级计算机进行中型计算，并使用国防部的设施进行大规模计算，他们处理了旋涡起舞时发生的数千个事件的数据，并将物理知识构建到了模型中。然后，他们使用湍流模型来模拟整个碰撞舞蹈。

斯考洛说，工程师可以简单地运行现成的模型来模拟任何时间长度的涡流，从而最类似于飞机周围发生的情况。物理学家还可以缩小模型以进行流体动力学实验。

陆军研究室流体动力学项目经理Matthew Munson说：“关于Scalo博士的方法，真正的聪明之处在于它利用有关流动物理学的信息来决定计算流动物理学的最佳策略。”美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室。

“这是一种明智的策略，因为与其他许多方法相比，它使解决方案方法适用于更多种情况。这对于在车辆平台和武器系统的设计上产生真正的影响具有巨大的潜力，这将使我们的士兵成功地完成任务。”

Scalo的团队将使用Purdue最新的社区集群超级计算机Bell继续研究复杂的涡流。该团队还与国防部合作，将CvP-LES模型应用于与直升机等旋翼飞机有关的大规模测试案例。

“如果您能够像在直升机叶片上一样准确地模拟成千上万的事件，那么您可以设计出更为复杂的系统，” Scalo说。

参考：赵新然，于宗信，让-巴蒂斯特·夏佩里尔和卡洛·斯卡洛的“三叶形打结涡流的直接数值模拟和大涡模拟”，2021年1月15日，流体力学杂志。DOI：
10.1017 / jfm.2020.943

这项工作得到了陆军研究办公室的青年研究人员计划的支持，获得了W911NF-18-1-0045奖。研究人员还通过在子项目ARONC00723015下进行的分配来感谢普渡大学的罗森（Rosen）高级计算中心和美国空军研究实验室国防部超级计算资源中心的支持。