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毁三观!!!当天文学遇到湍流

1年前浏览497

"I don't have a fear of flying; 

I have a fear of turbulence"



湍流(Turbulent flow):流体变量,如速度、压力,掺杂复杂混乱随机性的流动。


湍流的存在使得原本规则的世界变得混沌。湍流本身的统计学规律也异常神秘。


正如海森堡在临终前说出的最经典的一句话:“When I meet God, I am going to ask him two questions: Why relativity? And why turbulence?


在工程CFD中,CFD求解通常外挂湍流模型,如LES,RANS,各种模型具有不同的所适应的工况。


然而要真正的体现湍流随机的混沌特性,可以采用DNS方法。DNS方法也是目前最为耗费计算机资源的方法。


目前,DNS模拟只是土豪的小三,你真的玩不起。


然而


倘若时间遇到黑洞


倘若天文遇到湍流



   
文与湍流    



在我们生活的地球上,湍流是大气污染以及气候变化的主要原因。同时,在外太空星系,湍流也是天文学的研究重点。


气体以及沙尘颗粒的湍流运动是行星诞生的主要影响因素。Padoan et al. 在2014年也证明恒星的诞生理论也基于湍流的统计学理论。


可压缩湍流直接影响星系的形状,并且在早期宇宙的行程中扮演着重要的作用。


气体密度的概率分布函数(PDF),以及可压缩超音速湍流的能谱是早期恒星诞生理论的基础。





   
大型的模拟    



目前密度的概率分布函数以及能谱依然处于学术界讨论的热点之中,因为这些理论尚且不能用于实验验证。


并且运行这种超音速湍流结构需要大量的计算机资源捕获足够的湍流尺度。


然而为了"推动人类对于可压缩湍流有限的认识"


下面这篇文章足够毁三观。


“On the universality of supersonic turbulence”


Christoph Federrath.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2013): stt1644.


Abstract: Compressible turbulence shapes the structure of the interstellar medium of our Galaxy and likely plays an important role also during structure formation in the early Universe. The density PDF and the power spectrum of such compressible, supersonic turbulence are the key ingredients for theories of star formation. However, both the PDF and the spectrum are still a matter of debate, because theoretical predictions are limited and simulations of supersonic turbulence require enormous resolutions to capture the inertial-range scaling. To advance our limited knowledge of compressible turbulence, we here present and analyse the world's largest simulations of supersonic turbulence. We compare hydrodynamic models with numerical resolutions of 256^3-4096^3 mesh points and with two distinct driving mechanisms, solenoidal (divergence-free) driving and compressive (curl-free) driving. We find convergence of the density PDF, with compressive driving exhibiting a much wider and more intermittent density distribution than solenoidal driving. Analysing the power spectrum of the turbulence, we find a pure velocity scaling close to Burgers turbulence with P(v)~k^(-2) for both driving modes in our hydrodynamical simulations with Mach = 17. The spectrum of the density-weighted velocity rho^(1/3)v, however, does not provide the previously suggested universal scaling for supersonic turbulence. We find that the power spectrum P(rho^(1/3)v) scales with wavenumber as k^(-1.74) for solenoidal driving, close to incompressible Kolmogorov turbulence, k^(-5/3), but is significantly steeper with k^(-2.10) for compressive driving. We show that this is consistent with a recent theoretical model for compressible turbulence that predicts P(rho^(1/3)v)~k^(-19/9) in the presence of a strong div(v) component as is produced by compressive driving and remains remarkably constant throughout the supersonic turbulent cascade.



作者表示做了一个艰难的决定:做世界上最大的超音速湍流模拟!



在这篇文章中,Federrath使用了多套网格进行模拟,其数量最少是1600万,最多是



68亿网格



然而这和我们的CFD有什么关系?


且慢,在Federrath的模拟之前,世界上曾使用68亿网格进行CFD模拟的还有Kaneda et al. 其在2003年曾进行过大规模的不可压缩DNS模拟。


在Kaneda et al之前,最大规模的DNS模拟所调用的网格数量为则为1024*1024*1024


草榴 :-)


Kaneda et al. 文章中所进行的DNS模拟时间步长设置为0.00025s。其文章的主要目的就是回答:


“当湍流粘度趋向于0的时候,平均能量耗散率是不是一个常数?”



回到Federrath这篇天文湍流的文章,这篇文章被选举为2013年年度SAO/NASA ADS论文。


Federrath所用的软件为FLASH code,其算例运行了44000个时间步,调用了32768个计算核心,计算机群采用的是世界知名的SuperMUC(目前已经运行了700万计算小时...)。每一次模拟最后的数据是115T


也就是说每次模拟后的数据要230块硬盘!!可以装满三个电脑包!


来源:WELSIM
湍流通用WELSIMADS理论
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-06-24
最近编辑:1年前
WELSIM
一枚搞仿真的老员工
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