先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬，已經(jīng)解決了湍流流體流動(dòng)中的一個(gè)難題，這個(gè)問題可能會(huì)促使更高效的渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)誕生。當(dāng)流體（如水或空氣）流動(dòng)足夠快時(shí)，流體（將經(jīng)歷湍流——流體內(nèi)部的速度和壓力似乎是隨機(jī)變化的。湍流很難研究，但對(duì)許多工程領(lǐng)域都很重要，比如通過風(fēng)力渦輪機(jī)或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流。

例如，更好地理解湍流將使工程師們能夠設(shè)計(jì)出更高效的渦輪葉片，或者為f1賽車設(shè)計(jì)出更符合空氣動(dòng)力學(xué)的外形。

然而，目前湍流工程模型往往依賴于基于以往湍流觀測(cè)的“經(jīng)驗(yàn)”關(guān)系來預(yù)測(cè)將會(huì)發(fā)生什么，而不是對(duì)基礎(chǔ)物理的全面理解。這是因?yàn)榛A(chǔ)物理極其復(fù)雜，留下了許多看似簡(jiǎn)單卻無法解決的問題。如今，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的科學(xué)家利用超級(jí)計(jì)算機(jī)，在最初為游戲開發(fā)的圖形處理器上運(yùn)行模擬，來解決一個(gè)長(zhǎng)期存在的這個(gè)難題。

找到解決方案

研究結(jié)果發(fā)表在2019年7月25日的《流體力學(xué)》上，這意味著可以測(cè)試經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?chuàng)建新的模型，從而在工程中實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。合著者之一、帝國(guó)航空學(xué)院的彼得·文森特博士說：我們現(xiàn)在有了一個(gè)重要的基本氣流問題的解決方案。這意味著可以根據(jù)‘正確’答案來檢驗(yàn)湍流的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，看看它們?cè)诙啻蟪潭壬厦枋隽藢?shí)際發(fā)生的情況，或者它們是否需要調(diào)整。問題很簡(jiǎn)單：如果湍流流體在通道中流動(dòng)并受到擾動(dòng)，擾動(dòng)如何在流體中消散？

例如，如果水突然從大壩釋放到河流中，然后被切斷，大壩水的脈沖會(huì)對(duì)河流流量產(chǎn)生什么影響？為了確定流體反應(yīng)的總體“平均”行為，研究團(tuán)隊(duì)需要模擬流體內(nèi)部無數(shù)個(gè)較小的反應(yīng)。使用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了數(shù)千次湍流模擬，每一次都需要數(shù)十億次計(jì)算才能完成。通過這些模擬，能夠確定描述擾動(dòng)如何在流動(dòng)中消散的精確參數(shù)，并確定經(jīng)驗(yàn)湍流模型必須滿足的各種要求。

合著者、帝國(guó)航空學(xué)院的謝爾蓋·切爾尼申科教授說：從我學(xué)習(xí)流體力學(xué)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年后的今天，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(shù)值模擬，確定了湍流通道中平均小振幅擾動(dòng)的特征模態(tài)。雖然控制湍流通道平均小振幅擾動(dòng)的系統(tǒng)仍然未知，但可以確定這種特征模態(tài)的事實(shí)，構(gòu)成了它是線性的直接證據(jù)。

此外，當(dāng)與最慢衰減對(duì)稱特征模態(tài)相關(guān)的特征值為實(shí)數(shù)時(shí)，與最慢衰減對(duì)稱特征模態(tài)相關(guān)的特征值為復(fù)數(shù)。這表明，控制平均小振幅擾動(dòng)演化的未知線性系統(tǒng)不可能是自伴隨，即使在單向流動(dòng)的情況下也是如此。研究結(jié)果除了闡明了流動(dòng)物理的各個(gè)方面外，還為建立新的非定常雷諾-平均納維-斯托克斯湍流模型提供了指導(dǎo)，并為評(píng)價(jià)非定常雷諾-平均納維-斯托克斯湍流模型的性能提供了一個(gè)新基準(zhǔn)問題。

博科園｜研究/來自：倫敦帝國(guó)理工學(xué)院

參考期刊《流體力學(xué)》

DOI: 10.1017/jfm.2019.520

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