漩渦似乎深奧的主題。 但其影響并成為頭條新聞,最近爆發的龍卷風,漩渦,造成至少80人死亡在2021年12月在美國八個州。 今天科學家們還不完全了解渦旋的動力學,混亂但相干模式中常見的自然也以颶風,漩渦流的空氣和水,空氣動力阻力,燃料燃燒等等。

在德克薩斯理工大學科學家最近的研究中，超級計算機模擬正在幫助科學家深入探究漩渦和湍流的神秘特征。他們的研究可能會有助于提高汽車的燃油效率，幫助開發節能飛機設計，等等。

他們的漩渦研究發表在2022年1月的《流體力學年鑒》上?！斑@項研究的一個好處是，我們發現，當兩個相反的有符號渦聚集在一起時，它們將重新連接并重新組合，形成兩個新的渦，剩下的一些未連接部分作為螺紋，可以進一步進行連續的重新連接?！痹撗芯康闹饕髡?、德克薩斯理工大學機械工程系博士后研究員姚杰說。

渦旋重聯

“我們聲稱，漩渦重聯是大多數湍流級聯、流體混合和空氣動力噪聲產生背后的本質，”該研究的合著者、德克薩斯理工大學校長的高級顧問、工程、科學和醫學特聘主席法茲爾·侯賽因說。侯賽因是姚的顧問，也是機械工程、物理、化學工程、石油工程、內科、細胞生理學和分子生物物理學系的教授。

侯賽因舉了一個例子，說明飛機的兩條尾跡中存在渦旋重聯。在適當的大氣條件下，旋轉的雙尾隨渦重新連接成渦環，從而形成湍流。

侯賽因說：“當漩渦重新連接時，它們會產生兩個大結構加上許多小規模結構?！??！白畛?，你在實驗室的可視化中看到一些煙霧。但當兩個漩渦被拉扯并分開時，它們會拉扯這些線，最終消散。這些細節只有通過超級計算機的數值模擬才能得到?！?/span>

求解渦旋方程的超級計算機

為審查研究，姚和侯賽因被授予超級計算機訪問德克薩斯先進計算中心的StaveCube系統，由國家科學基金（NSF）資助的極端科學和工程發現環境XSEDE。此外，他們還利用了XSEDE的擴展協作支持服務（ECSS）項目，該項目為研究人員提供了充分利用超級計算機時間的專業知識。

姚說：“圣地亞哥超級計算機中心的Manu Shantaram通過XSEDE ECSS幫助我們分析代碼。我們與他進行了良好的聯系和討論，他在分析代碼和發現問題方面做得很好，這提高了代碼的性能?！?。

“我們從XSEDE項目中受益匪淺，從TACC中受益更多，TACC的工作人員幫助我們解決技術問題和問題，”姚補充道?！癟ACC為我們提供的不僅僅是Stampede2。除了新的Lonestar6，TACC還授予我們訪問Frontera和Lonestar5系統的權限?！?/span>

姚和侯賽因在德克薩斯理工大學高性能計算中心（HPCC）利用了XSEDE、TACC及其本地集群的強大超級計算能力?；旧暇褪且釴avier-Stokes方程，它描述了空氣、水等流體的運動。他們的直接數值模擬已經產生了高度時間和空間分辨率、精確的測量分布，如速度、渦度或流體旋轉、擬能性——一個與渦的能量耗散、螺旋度、溫度和標量濃度有關的術語。

峰值渦度和擬能性的增長都解決了一個非?；镜臄祵W問題，這與克萊數學研究所提出的一個百萬美元的問題有關，該研究所已承諾為正確解決幾個千年獎問題中的一個問題提供資金。

這個問題與Navier-Stokes方程的有限時間奇點（FTS）的形成有關，這個問題可以表述為，在給定有限動能的初始瞬時光滑速度場時，在不可壓縮Navier-Stokes方程的控制下，場的奇異性在有限時間內出現。