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2019-08-16利用超級電腦的圖像分析解決亂流問題
452 期
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【本刊訊】當水或空氣等流體，在極高速的運動之下，通常會有亂流（turbulence）的現象產生。當亂流出現後，流體內部的速度與壓力等數值會隨機變化，造成觀測及研究的困難。而亂流的研究雖然困難，但其對於空氣動力學等工程領域極為重要，舉例而言，噴射機的噴射引擎系統便是根據亂流的研究為基礎設計。因此，對亂流的研究越透徹，工程師便有依據研發出更高效能的傳動系統，甚至是設計更符合空氣力學的車型，例如一級方程式賽車（Formula 1）。
然而，一般關於亂流的研究與工程，通常仰賴過去的觀測結果進行預測。因為與亂流相關的物理機制十分複雜，過去的研究人員只能完全靠經驗行事。對此，近日英國倫敦帝國學院（Imperial College London）的研究團隊，利用超級電腦，在最初作為電腦遊戲開發所使用的圖像處理器進行模擬與分析，試圖找出亂流潛在的物理原理，並解決這項長期困擾著學者的問題。
該研究成果發布於《流體力學》（Journal of Fluid Mechanics）期刊，研究團隊試圖建構全新的運算機制與模型，進而優化流體力學工程中的各種設計。帝國學院航太系的文森（Peter Vincent）表示，透過利用此分析方式，可以完整解釋過往工程師所依賴的經驗法則，並解決亂流的問題。他提到，目前亂流的研究遇到的一項問題：一個通道中具有亂流特性的流體出現擾動時，此擾動將如何在流體中消散？舉例而言，假設水流瞬間從水壩中傾瀉而出釋放到河流中，這股水流的衝擊將如何影響河流。
為了找出問題的答案，團隊需要模擬出流體內各個微小的振幅與衝擊，並計算亂流的平均振幅擾動。研究人員表示，過程中需以超級電腦進行上千次的亂流模擬，而每一次的模擬都經過高達數10億的計算才能完成。藉由模擬，研究團隊才能確定這些流體內部的各項干擾與衝擊消散的確切參數，進而確認過往使用的經驗法則是否可行。
根據ScienceDaily報導，研究人員切爾努申科（Sergei Chernyshenko）表示，過去40年間，許多流體力學相關的學者都嘗試找出亂流相關問題的解答，但由於問題過於複雜，始終沒有一個全面的成果。如今40年過去了，透過利用超級電腦的演算，該問題終於能夠獲得完整的解答。
新聞來源
A. S. Iyer et al., Identifying eigenmodes of averaged small- amplitude perturbations to turbulent channel flow, Journal of Fluid Mechanics, 2019.