先进的超级计算机模拟，已经解决了湍流流体流动中的一个难题，这个问题可能会促使更高效的涡轮和发动机诞生。当流体（如水或空气）流动足够快时，流体（将经历湍流——流体内部的速度和压力似乎是随机变化的。湍流很难研究，但对许多工程领域都很重要，比如通过风力涡轮机或喷气发动机的气流。例如，更好地理解湍流将使工程师们能够设计出更高效的涡轮叶片，或者为f1赛车设计出更符合空气动力学的外形。
然而，目前湍流工程模型往往依赖于基于以往湍流观测的“经验”关系来预测将会发生什么，而不是对基础物理的全面理解。这是因为基础物理极其复杂，留下了许多看似简单却无法解决的问题。如今，伦敦帝国理工学院的科学家利用超级计算机，在最初为游戏开发的图形处理器上运行模拟，来解决一个长期存在的这个难题。
找到解决方案
研究结果发表在2019年7月25日的《流体力学》上，这意味着可以测试经验模型，并创建新的模型，从而在工程中实现更优化的设计。合著者之一、帝国航空学院的彼得·文森特博士说：我们现在有了一个重要的基本气流问题的解决方案。这意味着可以根据‘正确’答案来检验湍流的经验模型，看看它们在多大程度上描述了实际发生的情况，或者它们是否需要调整。问题很简单：如果湍流流体在通道中流动并受到扰动，扰动如何在流体中消散？
例如，如果水突然从大坝释放到河流中，然后被切断，大坝水的脉冲会对河流流量产生什么影响？为了确定流体反应的总体“平均”行为，研究团队需要模拟流体内部无数个较小的反应。使用超级计算机进行了数千次湍流模拟，每一次都需要数十亿次计算才能完成。通过这些模拟，能够确定描述扰动如何在流动中消散的精确参数，并确定经验湍流模型必须满足的各种要求。
合著者、帝国航空学院的谢尔盖·切尔尼申科教授说：从我学习流体力学的第一天起，我就想知道一些基本问题的答案，这就是其中之一，40年后的今天，我找到了答案。研究首次通过一套高保真度图形处理单元加速直接数值模拟，确定了湍流通道中平均小振幅扰动的特征模态。虽然控制湍流通道平均小振幅扰动的系统仍然未知，但可以确定这种特征模态的事实，构成了它是线性的直接证据。
此外，当与最慢衰减对称特征模态相关的特征值为实数时，与最慢衰减对称特征模态相关的特征值为复数。这表明，控制平均小振幅扰动演化的未知线性系统不可能是自伴随，即使在单向流动的情况下也是如此。研究结果除了阐明了流动物理的各个方面外，还为建立新的非定常雷诺-平均纳维-斯托克斯湍流模型提供了指导，并为评价非定常雷诺-平均纳维-斯托克斯湍流模型的性能提供了一个新基准问题。
