如果你动作够快的话，这可能会让你大吃一惊。冲击波的冲击，气球的“pop”是由气球爆炸碎片产生的冲击波，这些碎片的运动速度比音速还快。超音速飞机会产生更大的声爆，同样来自冲击波。在宇宙更远的地方，一颗坍缩的恒星在变成超新星时，会从接近光速的粒子中产生冲击波。科学家们正在使用超级计算机来更好地理解与冲击波相互作用的湍流。这种理解有助于开发超音速和高超音速飞机，提高发动机点火效率，以及探索超新星爆炸、恒星形成等奥秘。
德克萨斯农工大学航空航天工程系副教授Diego Donzis说：我们提出了许多理解冲击波湍流相互作用的新方法，其研究发表在《流体力学》期刊上。研究提出，与其把冲击波看作是不连续的，还不如像在现实生活中一样考虑它的有限厚度，它可能是控制参数，例如放大因子。冲击波湍流相互作用的主流理论框架可以追溯到20世纪50年代，由赫伯特·里布纳在安大略省多伦多大学提出。他的研究支持用线性无粘理论来理解湍流和冲击波的相互作用，该理论假定冲击波是一个真正的不连续。
因此，整个问题可以归结为一个数学上容易处理的问题，其结果只取决于冲击波的马赫数，即物体速度与周围介质中声速的比值。当湍流经过冲击波时，它通常会根据马赫数被放大。研究的实验和模拟表明，这种放大效应还取决于雷诺数、湍流强度和湍流马赫数。研究人员提出了一个理论，把所有这些结合成一个单一的参数，当在几年前提出这一理论时，没有非常高分辨率的数据来测试其中一些想法。输入Stampede2，这是一台18千万亿次浮点运算的超级计算机，位于德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心。
Stampede2是美国开放科学研究中功能最强大的计算机，Donzis通过XSEDE(极限科学和工程发现环境)在Stampede2上获得了计算时间。Stampede2和XSEDE都是由国家科学基金会资助。在Stampede2上，研究人员运行了一个非常大的数据集，在不同的条件下，特别是在高湍流强度水平下，在小尺度分辨率方面，在使用的方案的顺序方面，具有一定程度的现实意义，这是通常在文献中发现的。多亏了Stampede2，研究人员不仅可以展示放大因子是如何缩放的。
还可以展示在什么条件下我们期望Ribner的理论成立，以及在什么条件下之前提出的缩放更合适。该研究的主要作者Chang Hsin Chen说：还研究了冲击波的结构，通过高分辨率模拟，能够理解湍流是如何在冲击波上产生的空穴。这只可能是由于Stampede2提供的计算能力。Stampede2能让研究人员运行模拟，其中一些以前所未有的真实水平运行，特别是需要在非常小湍流尺度下研究过程的小规模分辨率。其中一些模拟运行在机器的一半甚至更多，有时需要几个月的时间。
更重要的是，科学家们还探索了所谓的冲击波跳跃，即当物质穿过冲击波时压力和温度的突然变化。在这项研究中，开发并测试了一个新理论框架来理解，例如，为什么当来流是湍流时，静止冲击波开始运动。这意味着来袭的湍流会地改变冲击波。该理论预测，Stampede2的模拟证实了压力跳跃的变化，以及当来流是湍流时它们是如何变化的。这一影响在里布纳开创性的研究中实际上没有被考虑进去，但现在我们可以从数据上理解它，在理解动荡何时遭遇冲击方面取得进展并不容易。
要捕捉高雷诺数下冲击波的剧烈梯度，需要数十亿格点的极端分辨率。尽管受到在Stampede2或任何其他计算机上可以推送多少参数范围的限制，但是已经能够在这个参数空间中覆盖非常大的空间，超出了以前所做的参数范围。输入/输出(I/O)在非常大的核心计数情况下将数据写到磁盘上也是一个挑战。这是利用XSEDE扩展协作支持服务(ECSS)的一个例子，研究能够成功地优化该策略。现在有信心，可以继续增加模拟规模与新策略，并继续做I/O在一个合理的计算费用。
Donzis对XSEDE并不陌生，多年前他就使用过XSEDE，当时它被称为Teragrid，用于开发从匹兹堡超级计算中心的LeMieux系统，圣地亚哥超级计算机中心的蓝色地平线，挪威国家计算科学研究所的Kraken，TACC的Stampede1和Stampede2。今天取得的一些成功是由于XSEDE和Teragrid对科学界的持续支持。今天能够进行的研究以及所有成功案例，在一定程度上都是科学界和资助机构不断维持网络基础设施的结果。这种基础设施使科学家们能够应对我们面临的和未来可能面临的最大科学和技术挑战。
这不仅适用于该研究团队，也可能适用于其他科学计算社区。高性能计算(HPC)的进步可以直接转化为社会利益，高性能计算将对交通、工业过程、制造业、国防等领域产生影响，特别是对普通人的日常生活产生影响，因为我们大多数人的生活都充满了技术产品和服务，这些产品和服务在某种程度上受益于不同规模的数值计算。对湍流理解的进步影响了广泛应用，对冲击波湍流相互作用理解的进步，可能会促使超音速和高超音速飞行的发展，太空探索，甚至对可观测宇宙结构的理解，理解可压缩流体中的湍流可以大大提高燃烧效率、减阻和一般运输。
博科园｜研究/来自：德克萨斯大学奥斯汀分校
参考期刊《流体力学》
DOI: 10.1017/jfm.2019.248
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