Моделирование, которое в настоящее время используют разработчики, требует обширной обработки данных на суперкомпьютерах и фиксирует только часть событий столкновения с вихрем, что может привести к значительному снижению производительности, от потери подъемной силы на роторе до полной потери контроля над боеприпас. Новая модель турбулентности могла бы изменить это.

Армейское исследовательское управление, входящее в состав Командования по развитию боевых возможностей армии США, ныне известного как DEVCOM, Армейская исследовательская лаборатория, финансировало исследователей из Университета Пердью для разработки модели турбулентности, известной как моделирование больших вихрей с сохранением когерентной завихренности, известное как CvP LES. Опубликованный в Журнал механики жидкости, новая методология имитирует весь процесс события вихревого столкновения до 100 раз быстрее, чем современные методы моделирования.

"Что действительно умно в подходе Пердью, так это то, что он использует информацию о физике потока, чтобы выбрать наилучшую тактику для вычисления физики потока", - сказал доктор Мэтью Мансон, руководитель программы по гидродинамике в ARO. "Существует огромный потенциал для того, чтобы это оказало реальное влияние на дизайн транспортных платформ и систем вооружения, которые позволят нашим солдатам успешно выполнять свои миссии".

Гидродинамика турбулентности самолета сложна, и точно смоделировать ее на компьютере практически невозможно. Профессор Карло Скало сделал шаг вперед в этом процессе, смоделировав столкновение вихрей двумя способами: один раз с помощью прямого численного моделирования и один раз с помощью моделирования больших вихрей. Эта модель теперь может быть использована инженерами для проектирования более совершенных самолетов, без необходимости месяцами ждать расчетов на суперкомпьютере. Лаборатория сжимаемых потоков и акустики Карло Скало: https://engineering.purdue.edu /~скало/ Машиностроение: https://purdue.edu/ME

Модель может быть использована для моделирования вихрей в течение любого промежутка времени, чтобы наилучшим образом напоминать то, что происходит вокруг самолета. Например, когда лопасть несущего винта движется по воздуху, она создает сложную систему вихрей, с которыми сталкивается при следующем проходе лопасти. Взаимодействие между лопастью и вихрями может привести к вибрации, шуму и ухудшению аэродинамических характеристик. Понимание этих взаимодействий является первым шагом к изменению конструкции, чтобы уменьшить их влияние на возможности транспортного средства.

В этом исследовании исследователи смоделировали события столкновения двух вихревых труб, называемых трилистниковыми узловатыми вихрями. Это взаимодействие имеет много общих черт с вихрями, часто присутствующими в армейских приложениях. Моделирование эволюции столкновения требует чрезвычайно высокого разрешения, что существенно увеличивает вычислительные затраты.

Методология основана на продуманных методах, которые обеспечивают баланс между стоимостью и точностью. Он способен быстро обнаруживать области потока, характеризующиеся мелкими масштабами турбулентности, а затем на лету определять соответствующую численную схему и модель турбулентности для локального применения. Это также позволяет применять вычислительную мощность только там, где это наиболее необходимо, обеспечивая решение с максимально возможной точностью при заданном объеме вычислительных ресурсов, заложенных в бюджете.

"Когда вихри сталкиваются, происходит столкновение, которое создает сильную турбулентность", - сказал Карло Скало, адъюнкт-профессор машиностроения университета Пердью, получивший диплом по аэронавтике и астронавтике. "Это очень сложно смоделировать с вычислительной точки зрения, потому что у вас есть интенсивное локализованное событие, которое происходит между двумя структурами, которые выглядят довольно невинно и без происшествий, пока они не столкнутся".

Используя суперкомпьютер Brown в Университете Пердью для вычислений среднего размера и средства Министерства обороны для крупномасштабных вычислений, команда смоделировала целое событие столкновения, полностью имитируя тысячи событий, которые происходят при столкновении этих вихрей.

В настоящее время команда работает с Министерством обороны над применением модели к крупномасштабным испытаниям, связанным с армейскими транспортными средствами и системами вооружения.

"Если вы сможете точно смоделировать тысячи событий в потоке, подобных тем, которые исходят от лопасти вертолета, вы сможете создавать гораздо более сложные системы", - сказал Скало.

Центр передовых вычислений Розена в Пердью и Центр суперкомпьютерных ресурсов Научно-исследовательской лаборатории ВВС США Министерства обороны оказали дополнительную поддержку этому исследованию.