美国研究人员用强大的超级计算机Frontier完成了史上最大规模的3D湍流模拟。
佐治亚理工学院的研究人员利用Frontier超级计算机，在35万亿个网格点上绘制了3D流体混沌图，创下了计算能力的新纪录。
据说这是有史以来最大规模的湍流直接数值模拟。
通过解码湍流波动的核心机制，这项研究为观察从全球海洋的大规模环流到喷气发动机内部高压环境等各种现象提供了一种新视角。
这些理论成果可以应用于实际，例如提高天气预报的准确性，以及设计下一代超高效率车辆和机翼形状。
“这项工作将对计算机建模以及许多学科（其中空气、水或其他流体的流动起着重要作用）的实际应用产生广泛影响，”领导该项目的佐治亚理工学院航空航天工程教授P. K. Yeung说。
理解湍流
湍流之所以难以研究，是因为它涉及大尺度范围内的混沌变化。
然而，在最小尺度上，这些运动遵循“统计普适”模式，该模式在不同环境下保持一致。
科学家长期以来认为，随着湍流加剧，这种普适性变得更加清晰，但直到借助Frontier超级计算机的百亿亿次计算能力，才终于模拟出足够详细的动力学过程，从而证实了这一点。
要理解这一规模，不妨想象一个数字立方体。在该立方体的每条棱上，研究人员各设置了32,768个点。在每个点上，Frontier计算了惯性力与摩擦力之间无形的拉锯战。
这使得团队能够达到2500的雷诺数，这种物理精度终于让计算机模型能和真实实验室实验直接对标。
“这种规模，世界上其他机器都做不到，”杨说。
“我们现在可以说，数值模拟的结果非常可靠，它们能够帮助我们验证一些关于湍流的假说。我们可以检验基础理论，从而了解如何修正——因为对于这么复杂的现象，所有湍流理论都难免有漏洞，”杨表示。
极端事件的行为
这个研究重点看的是“极端事件”的行为——这些罕见、局部又剧烈的波动，经典理论常常预测不了。
这些极端现象导致了五级龙卷风、发动机“自动熄火”以及空气污染集中爆发等高影响事件。
因为这些事件不常发生又很乱，研究就不再用确定性的“会不会发生”这种思路，而是改用随机（统计）模型来计算这些波动的概率分布，好提前应对它们现实中可能造成的巨大影响。
此外，研究还强调了两种概率分布的区别：一种是能量耗散（运动怎么变成热量），另一种是涡度拟能（也就是局部旋转或“涡度”有多强）。
他们还发现，小尺度湍流的间歇性比之前认为的更强。
借助这些统计修正，研究人员可以更准确地预测能量在混乱环境中的表现，比如在强风暴形成的时候。
为了尽量提高Frontier超级计算机的效率，研究团队采用了“多分辨率独立模拟”方案。
这项技术使他们能够抓取湍流尺度上最细微的细节，而省去了无限期全尺寸模拟的高额计算成本。
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