แบบจำลองความปั่นป่วนสามารถช่วยออกแบบเครื่องบินที่สามารถจัดการกับสถานการณ์ที่รุนแรงได้

เพื่อช่วยในการออกแบบเครื่องบินที่สามารถบังคับทิศทางได้ดีขึ้นในสถานการณ์ที่รุนแรง นักวิจัยของมหาวิทยาลัย Purdue ได้พัฒนาแนวทางการสร้างแบบจำลองที่จำลองกระบวนการทั้งหมดของการชนกันของกระแสน้ำวนในเวลาการคำนวณที่ลดลง ความรู้ทางฟิสิกส์นี้สามารถรวมเข้ากับรหัสการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อให้เครื่องบินตอบสนองได้อย่างเหมาะสม การจำลองที่ผู้ออกแบบเครื่องบินใช้ในปัจจุบันสามารถจับภาพเหตุการณ์การชนกันของกระแสน้ำวนได้เพียงบางส่วนเท่านั้น และต้องใช้การประมวลผลข้อมูลอย่างละเอียดบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ การไม่สามารถจำลองทุกอย่างที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสน้ำวนชนกันได้อย่างง่ายดายทำให้มีการออกแบบเครื่องบินที่จำกัด นักวิจัยกล่าวว่าด้วยการจำลองที่สมจริงและสมบูรณ์มากขึ้น วิศวกรสามารถออกแบบเครื่องบิน เช่น เครื่องบินขับไล่ที่สามารถหลบหลีกได้อย่างกะทันหัน หรือเฮลิคอปเตอร์ที่สามารถลงจอดบนเรือบรรทุกเครื่องบินได้อย่างปลอดภัยมากขึ้น นักวิจัยกล่าว คาร์โล สกาโล รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของเพอร์ดูซึ่งได้รับการแต่งตั้งให้เป็นอนุเคราะห์ด้านการบินและอวกาศกล่าวว่า "เครื่องบินในสภาวะที่รุนแรงไม่สามารถพึ่งพาการสร้างแบบจำลองง่ายๆ ได้" "เพียงเพื่อแก้ไขปัญหาการคำนวณบางอย่างเหล่านี้ อาจต้องใช้การประมวลผลบนโปรเซสเซอร์หนึ่งพันตัวเป็นเวลาหนึ่งเดือน คุณต้องการการคำนวณที่เร็วกว่านี้ในการออกแบบ เครื่องบิน " วิศวกรยังคงต้องการซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อเรียกใช้โมเดลที่ทีมของ Scalo พัฒนาขึ้น แต่พวกเขาจะสามารถจำลองการชนกันของกระแสน้ำวนได้ในเวลาประมาณหนึ่งในสิบถึงหนึ่งในร้อยของเวลา โดยใช้ทรัพยากรในการคำนวณน้อยกว่าที่ต้องใช้ในการคำนวณขนาดใหญ่ นักวิจัยเรียกแบบจำลองนี้ว่า "Coherent-vorticity-Preserving (CvP) Large-Eddy Simulation (LES)" การพัฒนาสี่ปีของแบบจำลองนี้สรุปไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารFluid Mechanics "แบบจำลอง CvP-LES สามารถจับภาพฟิสิกส์ที่ซับซ้อนอย่างยิ่งโดยไม่ต้องรอถึงหนึ่งเดือนบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ เนื่องจากได้รวมเอาความรู้ทางฟิสิกส์ไว้แล้ว ซึ่งการคำนวณในสเกลระดับมากจะต้องสร้างซ้ำอย่างพิถีพิถัน" สกาโลกล่าว อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกของ Purdue Jean-Baptiste Chapelier เป็นผู้นำกระบวนการสร้างแบบจำลองสองปี Xinran Zhao นักวิจัยหลังปริญญาเอกอีกคนหนึ่งของ Purdue ในโครงการ ดำเนินการคำนวณขนาดใหญ่ที่ซับซ้อนเพื่อพิสูจน์ว่าแบบจำลองนั้นแม่นยำ การคำนวณเหล่านี้ช่วยให้นักวิจัยสร้างการแทนปัญหาได้ละเอียดมากขึ้น โดยใช้คะแนนมากกว่าพันล้านจุด สำหรับการเปรียบเทียบ ทีวีความละเอียดสูงพิเศษ 4K ใช้จุดประมาณ 8 ล้านจุดในการแสดงภาพ จากรากฐานนี้ นักวิจัยใช้แบบจำลอง CvP-LES กับเหตุการณ์การชนกันของท่อกระแสน้ำวนสองท่อที่เรียกว่ากระแสน้ำวนที่ผูกปม trefoil ซึ่งเป็นที่รู้กันว่าตามรอยปีกของเครื่องบินและ "เต้น" เมื่อเชื่อมต่อใหม่ การเต้นรำนี้เป็นเรื่องยากมากที่จะจับภาพ Scalo กล่าวว่า "เมื่อกระแสน้ำวนปะทะกัน ก็จะเกิดการปะทะที่สร้างความปั่นป่วนอย่างมาก เป็นการยากที่จะจำลองด้วยการคำนวณ เนื่องจากคุณมีเหตุการณ์เฉพาะที่เข้มข้นซึ่งเกิดขึ้นระหว่างสองโครงสร้างที่ดูไร้เดียงสาและไม่มีเหตุการณ์จนกว่าพวกเขาจะชนกัน" Scalo กล่าว การใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของ Brown ที่ Purdue สำหรับการคำนวณขนาดกลางและศูนย์ของกระทรวงกลาโหมสำหรับการคำนวณขนาดใหญ่ ทีมประมวลผลข้อมูลเกี่ยวกับเหตุการณ์นับพันที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสน้ำวนเหล่านี้เต้นและสร้างความรู้ทางฟิสิกส์ลงในแบบจำลอง จากนั้นพวกเขาใช้แบบจำลองความปั่นป่วนเพื่อจำลองการเต้นรำแบบชนกันทั้งหมด วิศวกรสามารถเรียกใช้แบบจำลองสำเร็จรูปเพื่อจำลองกระแสน้ำวนในช่วงระยะเวลาใดก็ได้เพื่อให้ใกล้เคียงกับสิ่งที่เกิดขึ้นรอบ ๆ เครื่องบินมากที่สุด Scalo กล่าว นักฟิสิกส์ยังสามารถย่อแบบจำลองลงสำหรับการทดลองไดนามิกส์ของไหล Matthew Munson ผู้จัดการโปรแกรมของ Fluid Dynamics ที่ Army Research Office กล่าวว่า "สิ่งที่ฉลาดจริงๆ เกี่ยวกับแนวทางของ Dr. Scalo คือการใช้ข้อมูลเกี่ยวกับฟิสิกส์การไหลเพื่อตัดสินใจเลือกกลยุทธ์ที่ดีที่สุดสำหรับการคำนวณฟิสิกส์การไหล" ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบกของกองบัญชาการพัฒนาขีดความสามารถในการรบของกองทัพสหรัฐฯ "มันเป็นกลยุทธ์ที่ชาญฉลาดเพราะทำให้วิธีการแก้ปัญหาใช้ได้กับระบอบการปกครองที่หลากหลายกว่าแนวทางอื่น ๆ มีศักยภาพมหาศาลสำหรับสิ่งนี้ที่จะส่งผลกระทบอย่างแท้จริงต่อการออกแบบแพลตฟอร์มยานพาหนะและระบบอาวุธที่จะช่วยให้ทหารของเราประสบความสำเร็จ บรรลุภารกิจของพวกเขา" ทีมงานของ Scalo จะใช้ Bell ซึ่งเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลัสเตอร์ชุมชนใหม่ล่าสุดของ Purdue เพื่อดำเนินการตรวจสอบกระแสน้ำวนที่ซับซ้อนต่อไป ทีมงานยังทำงานร่วมกับกระทรวงกลาโหมเพื่อใช้แบบจำลอง CvP-LES กับกรณีทดสอบขนาดใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับโรเตอร์คราฟต์ เช่น เฮลิคอปเตอร์ “หากคุณสามารถจำลองเหตุการณ์นับพันอย่างแม่นยำ เช่น เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นจากใบพัดของเฮลิคอปเตอร์ คุณจะสามารถสร้างระบบที่ซับซ้อนกว่านี้ได้อีกมาก” สกาโลกล่าว