美國研究人員最近在 Frontier 超級電腦上進行了歷史上最大的 3D 渦流模擬。喬治亞理工學院的研究團隊利用這台強大的超級電腦，對 35 兆個網格點進行了 3D 流體混亂的映射，這被認為是有史以來最大的直接數值模擬。通過解讀渦流波動的核心機制，這項研究為理解從全球海洋的巨大循環到噴射引擎內部的高壓環境提供了一個全新的視角。這些理論發現有助於實際應用，例如提升氣象預測的準確性，並設計下一代高效能車輛和機翼。喬治亞理工學院航空工程教授 P. K. Yeung 表示：「這項工作將對計算建模和多個學科中空氣、水或其他流體流動起重要作用的實際應用產生深遠影響。」
渦流的研究向來困難，因為它涉及到在廣泛尺度上的混亂波動。然而，在最小尺度上，這些運動遵循統計上普遍的模式，這些模式在各種設置中保持一致。科學家們長期以來推測，隨著渦流強度的增加，這種普遍性會變得更加明顯，但需要 Frontier 超級電腦的超級計算能力才能以足夠的細節模擬這些動力學。為了理解這一規模，想像一個數字立方體。研究人員在每條邊上放置了 32,768 個點。每個點上，Frontier 計算了慣性與摩擦之間的無形拉鋸戰。這使得團隊能夠達到 2,500 的雷諾數，這一物理準確度最終使計算模型與現實世界的實驗面對面。
這項研究的中心焦點是極端事件的行為——即罕見的、局部的和強烈的波動，這些波動往往無法被傳統理論預測。這些異常事件負責造成高影響的現象，例如 5 級龍捲風、引擎自動熄火和集中空氣污染。由於這些事件是偶發且混亂的，研究從確定性模型轉向統計模型，計算這些波動的概率分佈，以更好地為其巨大現實後果做好準備。此外，這項研究還突出了能量耗散的概率分佈——運動如何轉化為熱量——與渦度的區別，渦度測量局部旋轉或渦流的強度。研究顯示，小尺度的渦流比之前認為的更具間歇性。通過這些統計修正，研究人員可以更準確地預測在混亂環境中能量的行為，例如在形成嚴重風暴期間。
為了最大化 Frontier 超級電腦的效率，團隊採用了多分辨率獨立模擬協議。這項技術使他們能夠捕捉渦流尺度的最細微細節，而不必承擔進行全規模模擬的高昂計算成本。這一開創性的研究不僅推進了流體動力學的理解，也為未來的應用開辟了新的方向，顯示了計算模擬在科學研究中的潛力。
