Supercomputadora Frontier logra simulación récord de turbulencia con 35 billones de puntos de cuadrícula

La simulación, que aprovecha las capacidades de escala exaflópica (mil millones de miles de millones de cálculos por segundo) de Frontier, la supercomputadora más potente del mundo para ciencia abierta, ofrece nuevas perspectivas sobre las propiedades fundamentales de los flujos de fluidos turbulentos que gobiernan el comportamiento de diversos fenómenos naturales y de ingeniería.

Los resultados, publicados en el Journal of Fluid Mechanics, podrían conducir a avances prácticos en numerosas áreas, incluyendo predicciones meteorológicas más precisas y diseños de vehículos más eficientes, según explicó P.K. Yeung, profesor de ingeniería aeroespacial de Georgia Tech que lidera el proyecto.

"La turbulencia ha sido reconocida durante mucho tiempo como un problema de gran desafío tanto para la ciencia como para la computación. La resolución es la clave, y esta investigación busca avances en la comprensión fundamental de la turbulencia empleando simulaciones de alta resolución con los parámetros adecuados", señaló Yeung según el comunicado del Laboratorio Nacional Oak Ridge.

El equipo de Yeung fue el primero en el mundo en simular turbulencia en 3D a una resolución con hasta 32.768 puntos de cuadrícula en cada dimensión, superando los 35 billones de puntos en total. Además, lograron simular flujos a un número de Reynolds muy alto (2.500), lo que proporciona un mayor grado de fidelidad física que en trabajos anteriores.

El número de Reynolds mide la relación entre las fuerzas inerciales (que tienden a mantener el movimiento) y las fuerzas viscosas (que se oponen al movimiento debido a la fricción interna). Un flujo con un número de Reynolds bajo tiende a ser más lento y suave, como la pintura vertida desde un cubo, mientras que un flujo con un número de Reynolds alto será probablemente más turbulento, como la lluvia dentro de las tormentas.

"La escala de las simulaciones en Frontier ha alcanzado tal punto que estamos al alcance de los experimentos en cuanto al rango de escalas que pueden simularse numéricamente o pueden hacerse realidad en el laboratorio", explicó Yeung. "Estamos en un punto donde podemos decir que los resultados de las simulaciones numéricas son muy fiables, y pueden permitirnos resolver algunas de las hipótesis sobre la turbulencia".

Una cuestión importante es cuán grandes pueden ser las fluctuaciones turbulentas más grandes en la turbulencia completamente desarrollada. Los eventos extremos en los que las fluctuaciones intensas son raras y localizadas en el tiempo y el espacio pueden tener consecuencias importantes, pero a menudo no se tienen suficientemente en cuenta en las teorías clásicas. Ejemplos incluyen fenómenos meteorológicos extremos (como tornados de categoría 5 y lluvias récord), bolsas locales de alta contaminación del aire e inestabilidades que pueden conducir a la autoextinción esporádica en motores de combustión interna.

El estudio proporciona una evaluación definitiva de la diferencia entre las distribuciones de probabilidad de la disipación de energía (o cuán efectivamente la energía se convierte de la energía cinética del flujo principal a fluctuaciones de pequeña escala y calor) y las de enstrofía (una medida relacionada con la intensidad del remolino localizado o vorticidad), ambas gobiernan los detalles locales del movimiento del fluido.

Los resultados también muestran que, incluso en las resoluciones más altas y durante la turbulencia más extrema, muchas leyes de escala clásicas siguen siendo válidas, incluida la "anomalía disipativa", que es la idea de que la tasa promedio de disipación de energía es casi independiente de la viscosidad del fluido a altos números de Reynolds.

Para lograr estos resultados en Frontier, Yeung y su equipo implementaron un protocolo de simulación llamado "simulación independiente de multirresolución" con una asignación de tiempo de cómputo del programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) del Departamento de Energía de Estados Unidos.

Este enfoque implicó ejecutar múltiples ráfagas cortas de alta resolución sobre simulaciones más largas pero de menor resolución. Al "actualizar" cuidadosamente la resolución durante períodos cortos y luego promediar sobre muchos de estos segmentos, lograron estudiar las escalas más pequeñas de turbulencia sin necesidad de simular todo el flujo durante mucho tiempo.

Los estudiantes de doctorado de Yeung, Rohini Uma-Vaideswaran y Daniel Dotson, han estado utilizando los datos para avanzar en el aprendizaje automático y la visualización para iluminar las complejidades del flujo turbulento en 3D.

Algunos de los datos del equipo de Yeung ya están disponibles públicamente en línea en la Base de Datos de Turbulencia de Johns Hopkins, que recibe financiación de la Fundación Nacional de Ciencias. Según Charles Meneveau, investigador principal de JHTDB, el conjunto de datos de simulación numérica directa de 35 billones de puntos de cuadrícula preparado por el equipo de Georgia Tech ya está atrayendo un interés significativo y probablemente será aprovechado en muchas publicaciones futuras por los usuarios de JHTDB.