Superkompüter simulyasiyaları rekord həddə 35 trilyon şəbəkə nöqtəsində turbulentlik nəzəriyyələrini sınaqdan keçirir

Bu vizuallaşdırma , 5x və 25x böyütmə görüntüləri də daxil olmaqla, 32.768 ³ turbulentlik simulyasiyasında orta dərəcədə böyük təzyiq dalğalanmalarını göstərir . Mənfi dalğalanmalar tornadoya bənzər strukturlara çevrilir. Mənbə: Corciya Texnologiya İnstitutu

Corciya Texnologiya İnstitutunun tədqiqatçıları Enerji Departamentinin Ouk Ric Milli Laboratoriyasındakı Frontier superkompüterindən istifadə edərək üç ölçülü turbulentliyin ən böyük birbaşa ədədi simulyasiyasını (DNS) həyata keçirərək rekord həddə – 35 trilyon şəbəkə nöqtəsi qətnaməsinə nail olublar. Belə bir mürəkkəb problemin həlli dünyanın ən güclü açıq elm superkompüteri olan Frontier-in ekzaskala (saniyədə 1 milyard milyard və ya daha çox hesablama) imkanlarını tələb edirdi.

Komandanın nəticələri okean və hava cərəyanlarından tutmuş yanma kameralarına və hava qanadlarına qədər müxtəlif təbii və mühəndislik hadisələrinin davranışlarını idarə edən turbulent maye axınlarının əsas xüsusiyyətlərinə yeni anlayışlar təqdim edir. Turbulent dalğalanmalar haqqında anlayışımızın yaxşılaşdırılması hava şəraitinin daha dəqiq proqnozlaşdırılması və daha səmərəli nəqliyyat vasitələrinin dizaynı da daxil olmaqla bir çox sahədə praktik irəliləyişlərə səbəb ola bilər.

Əsər “Journal of Fluid Mechanics” jurnalında dərc olunub .

Layihəyə rəhbərlik edən Corciya Texnologiya Universitetinin aerokosmik mühəndislik üzrə professoru PK Yeung bildirib ki, “Turbulentlik uzun müddətdir həm elm, həm də hesablama üçün böyük bir problem kimi qəbul edilib. Həll yolu əsas məsələdir və bu tədqiqat yüksək qətnaməli simulyasiyalardan düzgün parametrlərlə istifadə etməklə turbulentliyin fundamental anlaşılmasında irəliləyişlər əldə etməkdən ibarətdir. Bu iş kompüter modelləşdirməsi və hava, su və ya digər mayelərin axınının mühüm rol oynadığı bir çox fənlərdə praktik tətbiqlər üçün çoxsaylı nəticələrə səbəb olacaq”.

Maye dinamikasında bir çox çətin problemlər arasında turbulentlik həm zaman, həm də məkan daxilində geniş miqyaslı nizamsız dalğalanmaları ilə seçilir. Mürəkkəbliyi daha da artıran odur ki, turbulent axınlar tez-tez axının fizikasını dəyişdirən müxtəlif həndəsələrdə baş verir. Kobud çay yatağı üzərində fırlanan su ilə hamar borudan axan su arasındakı fərqləri təsəvvür edin.

Lakin, turbulentliyin kiçik miqyaslı hərəkətləri, ümumi axın həndəsəsindən asılı olmayaraq, xeyli dərəcədə statistik universallığa malikdir. Kiçik miqyaslı universallıq anlayışının miqyas diapazonu genişləndikcə və turbulentlik daha intensivləşdikcə daha etibarlı olduğu düşünülür. Lakin Frontier-dən əvvəl kompüter sistemlərində bu cür dinamikanı simulyasiya etmək çətin idi.

“Sürətli hesablamaya uyğun sadələşdirilmiş həndəsədə turbulentliyin incə miqyaslı xüsusiyyətlərini anlamaq, turbulentliyi anlamaq və modelləşdirmək üçün böyük fayda verə bilər. Sonuncu, öz növbəsində, böyük hesablama gücü tələb edir və Frontier ən yaxşılarından biridir”, – deyə Yeung bildirib.

Frontier haqqında yeni miqyaslı anlayışlar əldə etmək

Frontier-də Yeung və onun komandası dünyada ilk dəfə olaraq hər ölçüdə 32.768 şəbəkə nöqtəsi olan 3D formatında turbulentliyi simulyasiya etdilər ki, bu da ümumilikdə 35 trilyon şəbəkə nöqtəsini aşdı. (Kompüter simulyasiyalarında şəbəkə nöqtələri dəyişənlərin hesablandığı xüsusi yerləri təmsil edir – bir-birinə nə qədər çox şəbəkə nöqtəsi daha yaxın yerləşdirilirsə, nəticələr bir o qədər dəqiq olur.)

“Bu, dünyanın hər hansı digər maşınının tutumunu aşan bir miqyasdır”, – deyə Yeung bildirib. Bundan əlavə, onlar çox yüksək Reynolds ədədində – 2500 – axınları simulyasiya edə biliblər ki, bu da əvvəlki işlərdə mümkün olduğundan daha yüksək dərəcədə fiziki dəqiqlik təmin edir. Reynolds ədədi, hərəkət etməyə meylli olan ətalət qüvvələrinin (daxili sürtünmə səbəbindən hərəkətə qarşı çıxan) özlülük qüvvələrinə nisbətini ölçür. Aşağı Reynolds ədədi olan axın, məsələn, vedrədən boya tökülməsi kimi daha yavaş və hamar olmağa meyllidir, yüksək Reynolds ədədi olan axın isə, məsələn, fırtınalar zamanı yağış kimi daha turbulent olacaq.

Yeung dedi: “Frontier-dəki simulyasiyaların miqyası elə bir nöqtəyə çatıb ki, ədədi olaraq simulyasiya edilə bilən və ya laboratoriyada edilə bilən miqyas diapazonuna qədər təcrübələrin əlimizdədir”.

“Rəqəmsal simulyasiyaların nəticələrinin çox etibarlı olduğunu deyə biləcəyimiz bir nöqtədəyik və onlar turbulentlik haqqında bəzi fərziyyələri həll etməyə imkan verə bilər. Düzəlişləri necə edə biləcəyimiz barədə bir fikir əldə etmək üçün fundamental nəzəriyyələri sınaqdan keçirə bilərik – çünki bu kompleks hadisələr üçün bütün turbulent nəzəriyyələr qaçılmaz olaraq qeyri-kamildir.”

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Əhəmiyyətli bir sual, tam inkişaf etmiş turbulentlikdə ən böyük turbulent dalğalanmaların nə qədər böyük ola biləcəyidir. Güclü dalğalanmaların nadir hallarda baş verdiyi və zaman və məkanda lokallaşdırıldığı ekstremal hadisələr böyük nəticələrə səbəb ola bilər, lakin klassik nəzəriyyələrdə çox vaxt kifayət qədər nəzərə alınmır. Nümunələrə ekstremal hava şəraiti (məsələn, 5-ci kateqoriyalı tornadolar və rekord yağışlar), yüksək hava çirklənməsinin yerli ocaqları və daxili yanma mühərriklərində sporadik avtomatik sönməyə səbəb ola biləcək qeyri-sabitliklər daxildir.

“Turbulentlikdə bir çox axın xüsusiyyətlərində əhəmiyyətli dalğalanmalar müşahidə olunur. Hətta kiçik dalğalanmalar belə böyük nəticələrə səbəb ola bilər. Onlar bir qədər təsadüfi olsa da, dalğalanmalar hələ də fiziki qanunlara tabedir və zaman və məkan daxilində baş verir. Buna görə də, bir həftə sonra nə qədər yağış yağacağını hesablamağa çalışmaq əvəzinə, “Gələn həftə yağış yağma ehtimalı X faizdir” deyirik. Sualı deterministik sualdan stoxastik və ya statistik suala çeviririk. Ehtimal paylanmalarını öyrənməkdə maraqlıyıq”, – deyə Yeung bildirib.

Komandanın məqaləsi, enerjinin dağılmasının ehtimal paylanması (və ya enerjinin toplu axının kinetik enerjisindən kiçik miqyaslı dalğalanmalara və istiliyə nə dərəcədə effektiv şəkildə çevrilməsi) ilə enstrofiyanın (lokal burulma və ya burulğan intensivliyi ilə əlaqəli bir ölçü) ehtimal paylanması arasındakı fərqin qəti qiymətləndirilməsini təmin edir və bunların hər ikisi maye hərəkətinin yerli detallarını idarə edir. Bu fərqi anlamaq, ekstremal hava şəraitində olduğu kimi, turbulent axınların davranışı üçün proqnozlar verməyə kömək edə bilər.

Tədqiqatın nəticələri həmçinin göstərir ki, hətta ən yüksək qətnamələrdə və ən ekstremal turbulentlik dövründə belə, bir çox klassik miqyaslama qanunları, o cümlədən “dissipativ anomaliya” da hələ də qüvvədədir. Bu, orta enerji yayılma sürətinin yüksək Reynolds ədədlərində maye özlülüyündən demək olar ki, asılı olmadığı fikridir. Eyni zamanda, mövcud simulyasiyalar kiçik miqyaslı turbulentlik fizikasının fasiləli təbiətini nəzərə alan düzəlişlərin ümumiyyətlə qəbul ediləndən daha güclü olduğunu təsdiqləyir.

Frontier-də bu nəticələrə nail olmaq üçün Yeung və komandası DOE-nin Nəzəriyyə və Təcrübəyə İnnovativ və Yeni Hesablama Təsiri (INCITE) proqramından kompüter vaxtı ayırmaqla ” çoxqütblü müstəqil simulyasiya ” adlı simulyasiya protokolu tətbiq etdilər.

Bu yanaşma, daha uzun, lakin daha aşağı qətnaməli simulyasiyaların üzərinə birdən çox qısa, yüksək qətnaməli partlayışların aparılmasını əhatə edirdi. Qısa müddət ərzində qətnaməni diqqətlə “təkmilləşdirərək” və sonra bu seqmentlərin çoxu üzərində orta hesabla nəticə çıxararaq, onlar uzun müddət bütün axını simulyasiya etməyə ehtiyac olmadan turbulentliyin ən kiçik miqyaslarını öyrənməyi bacardılar. Yeung-un doktorantura tələbələri Rohini Uma-Vaideswaran və Daniel Dotson, 3D turbulent axınının incəliklərini işıqlandırmaq üçün maşın öyrənməsini və vizuallaşdırmanı inkişaf etdirmək üçün məlumatlardan istifadə edirlər.

Yeunqun turbulentliyin kompüter simulyasiyalarını aparan hazırkı işi bu tədqiqat sahəsinin başlamasından təxminən 50 il və onun özü tərəfindən öyrənilməyə başlamasından 30 ildən çox vaxt keçib. Frontier-in səmərəli istifadəsi simulyasiyaları təcrübələrlə müqayisə edilə bilən Reynolds ədədinə çatdırıb, lakin sadələşdirilmiş həndəsəyə baxmayaraq inanılmaz detallar təqdim etmək üstünlüyünə malikdir.

Yeung komandasının bəzi məlumatları artıq Cons Hopkins Turbulentlik Verilənlər Bazasında onlayn olaraq ictimaiyyətə təqdim olunur. JHTDB-nin baş tədqiqatçısı Çarlz Menevonun sözlərinə görə, Georgia Tech komandası tərəfindən hazırlanmış 35 trilyon şəbəkə nöqtəsi DNS məlumat dəsti artıq böyük maraq doğurur və çox güman ki, JHTDB istifadəçiləri tərəfindən gələcək bir çox nəşrlərdə istifadə olunacaq.

Nəşr detalları

^{PK Yeung və digərləri, 32,768 3} dövri kub üzərində turbulentliyin ekzaskaly hesablamalarından kiçik miqyaslı xüsusiyyətlər , Maye Mexanikası Jurnalı (2025). DOI: 10.1017/jfm.2025.10493

Jurnal məlumatı: Maye Mexanikası Jurnalı