如果你動作夠快的話，這可能會讓你大吃一驚。沖擊波的沖擊，氣球的“pop”是由氣球爆炸碎片產(chǎn)生的沖擊波，這些碎片的運動速度比音速還快。超音速飛機會產(chǎn)生更大的聲爆，同樣來自沖擊波。

在宇宙更遠的地方，一顆坍縮的恒星在變成超新星時，會從接近光速的粒子中產(chǎn)生沖擊波?？茖W(xué)家們正在使用超級計算機來更好地理解與沖擊波相互作用的湍流。這種理解有助于開發(fā)超音速和高超音速飛機，提高發(fā)動機點火效率，以及探索超新星爆炸、恒星形成等奧秘。

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)航空航天工程系副教授Diego Donzis說：我們提出了許多理解沖擊波湍流相互作用的新方法，其研究發(fā)表在《流體力學(xué)》期刊上。研究提出，與其把沖擊波看作是不連續(xù)的，還不如像在現(xiàn)實生活中一樣考慮它的有限厚度，它可能是控制參數(shù)，例如放大因子。沖擊波湍流相互作用的主流理論框架可以追溯到20世紀50年代，由赫伯特·里布納在安大略省多倫多大學(xué)提出。他的研究支持用線性無粘理論來理解湍流和沖擊波的相互作用，該理論假定沖擊波是一個真正的不連續(xù)。

因此，整個問題可以歸結(jié)為一個數(shù)學(xué)上容易處理的問題，其結(jié)果只取決于沖擊波的馬赫數(shù)，即物體速度與周圍介質(zhì)中聲速的比值。當湍流經(jīng)過沖擊波時，它通常會根據(jù)馬赫數(shù)被放大。研究的實驗和模擬表明，這種放大效應(yīng)還取決于雷諾數(shù)、湍流強度和湍流馬赫數(shù)。研究人員提出了一個理論，把所有這些結(jié)合成一個單一的參數(shù)，當在幾年前提出這一理論時，沒有非常高分辨率的數(shù)據(jù)來測試其中一些想法。輸入Stampede2，這是一臺18千萬億次浮點運算的超級計算機，位于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的德克薩斯高級計算中心。

Stampede2是美國開放科學(xué)研究中功能最強大的計算機，Donzis通過XSEDE(極限科學(xué)和工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境)在Stampede2上獲得了計算時間。Stampede2和XSEDE都是由國家科學(xué)基金會資助。在Stampede2上，研究人員運行了一個非常大的數(shù)據(jù)集，在不同的條件下，特別是在高湍流強度水平下，在小尺度分辨率方面，在使用的方案的順序方面，具有一定程度的現(xiàn)實意義，這是通常在文獻中發(fā)現(xiàn)的。多虧了Stampede2，研究人員不僅可以展示放大因子是如何縮放的。

還可以展示在什么條件下我們期望Ribner的理論成立，以及在什么條件下之前提出的縮放更合適。該研究的主要作者Chang Hsin Chen說：還研究了沖擊波的結(jié)構(gòu)，通過高分辨率模擬，能夠理解湍流是如何在沖擊波上產(chǎn)生的空穴。這只可能是由于Stampede2提供的計算能力。Stampede2能讓研究人員運行模擬，其中一些以前所未有的真實水平運行，特別是需要在非常小湍流尺度下研究過程的小規(guī)模分辨率。其中一些模擬運行在機器的一半甚至更多，有時需要幾個月的時間。

更重要的是，科學(xué)家們還探索了所謂的沖擊波跳躍，即當物質(zhì)穿過沖擊波時壓力和溫度的突然變化。在這項研究中，開發(fā)并測試了一個新理論框架來理解，例如，為什么當來流是湍流時，靜止沖擊波開始運動。這意味著來襲的湍流會地改變沖擊波。該理論預(yù)測，Stampede2的模擬證實了壓力跳躍的變化，以及當來流是湍流時它們是如何變化的。這一影響在里布納開創(chuàng)性的研究中實際上沒有被考慮進去，但現(xiàn)在我們可以從數(shù)據(jù)上理解它，在理解動蕩何時遭遇沖擊方面取得進展并不容易。

要捕捉高雷諾數(shù)下沖擊波的劇烈梯度，需要數(shù)十億格點的極端分辨率。盡管受到在Stampede2或任何其他計算機上可以推送多少參數(shù)范圍的限制，但是已經(jīng)能夠在這個參數(shù)空間中覆蓋非常大的空間，超出了以前所做的參數(shù)范圍。輸入/輸出(I/O)在非常大的核心計數(shù)情況下將數(shù)據(jù)寫到磁盤上也是一個挑戰(zhàn)。這是利用XSEDE擴展協(xié)作支持服務(wù)(ECSS)的一個例子，研究能夠成功地優(yōu)化該策略?，F(xiàn)在有信心，可以繼續(xù)增加模擬規(guī)模與新策略，并繼續(xù)做I/O在一個合理的計算費用。

Donzis對XSEDE并不陌生，多年前他就使用過XSEDE，當時它被稱為Teragrid，用于開發(fā)從匹茲堡超級計算中心的LeMieux系統(tǒng)，圣地亞哥超級計算機中心的藍色地平線，挪威國家計算科學(xué)研究所的Kraken，TACC的Stampede1和Stampede2。今天取得的一些成功是由于XSEDE和Teragrid對科學(xué)界的持續(xù)支持。今天能夠進行的研究以及所有成功案例，在一定程度上都是科學(xué)界和資助機構(gòu)不斷維持網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)果。這種基礎(chǔ)設(shè)施使科學(xué)家們能夠應(yīng)對我們面臨的和未來可能面臨的最大科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。

這不僅適用于該研究團隊，也可能適用于其他科學(xué)計算社區(qū)。高性能計算(HPC)的進步可以直接轉(zhuǎn)化為社會利益，高性能計算將對交通、工業(yè)過程、制造業(yè)、國防等領(lǐng)域產(chǎn)生影響，特別是對普通人的日常生活產(chǎn)生影響，因為我們大多數(shù)人的生活都充滿了技術(shù)產(chǎn)品和服務(wù)，這些產(chǎn)品和服務(wù)在某種程度上受益于不同規(guī)模的數(shù)值計算。對湍流理解的進步影響了廣泛應(yīng)用，對沖擊波湍流相互作用理解的進步，可能會促使超音速和高超音速飛行的發(fā)展，太空探索，甚至對可觀測宇宙結(jié)構(gòu)的理解，理解可壓縮流體中的湍流可以大大提高燃燒效率、減阻和一般運輸。

博科園｜研究/來自：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校

參考期刊《流體力學(xué)》

DOI: 10.1017/jfm.2019.248

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