Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаРазоблачение турбулентности ясного неба: суперкомпьютер Fugaku имитирует невидимый ветер, повышая безопасность полетов

Разоблачение турбулентности ясного неба: суперкомпьютер Fugaku имитирует невидимый ветер, повышая безопасность полетов

- Advertisement -

Исследователи из Нагойского университета успешно смоделировали турбулентность при ясном небе вокруг Токио с помощью японского суперкомпьютера Fugaku, получив представление о причинах турбулентности и потенциально повысив безопасность полетов.

Исследовательская группа из Нагойский университет использовали японский суперкомпьютер Fugaku для имитации турбулентности при ясном небе вокруг Токио, улучшив существующие прогностические модели. Исследование, опубликованное в журнале Geophysical Research Letters, определило коллапс волны неустойчивости Кельвина-Гельмгольца как основную причину турбулентности. Проверяя свои симуляции на реальных данных наблюдений, исследователи надеются улучшить понимание возникновения турбулентности и ее влияния на самолеты, потенциально повышая безопасность полетов.

Точное моделирование воздушной турбулентности с помощью суперкомпьютеров

Группа исследователей из Университета Нагоя успешно использовала самый быстрый в Японии суперкомпьютер для точного моделирования турбулентности при ясном небе вокруг Токио. Затем они сопоставили свои выводы с фактическими полетными данными, чтобы улучшить точность своей прогностической модели. Исследование опубликовано в журнале Письма о геофизических исследованиях.

Понимание турбулентности ясного неба (CAT)

Хотя турбулентность воздуха обычно связана с плохой погодой, салон самолета может сильно трястись даже в солнечный и безоблачный день. Эти турбулентные движения воздуха, известные как турбулентность ясного неба (CAT), могут возникать при отсутствии каких-либо видимых облаков или других атмосферных возмущений. Хотя точные механизмы, вызывающие CAT, до конца не изучены, считается, что в первую очередь это вызвано сдвигом ветра и нестабильностью атмосферы.

CAT представляет собой серьезную угрозу безопасности полетов. Непредвиденная турбулентность в безветренный день может привести к травмам среди пассажиров и членов экипажа, повредить самолет и нарушить выполнение полетов. Пилоты используют данные других самолетов, метеорологических радаров и моделей атмосферы, чтобы предвидеть и избегать турбулентности. Однако прогнозирование CAT особенно сложно, поскольку оно не предоставляет видимых индикаторов, таких как облака или штормы.

Моделирование больших вихрей (LES) и проблема вычислительной мощности

Создание завихрений или вихревых ветров, которые приводят к внезапным изменениям воздушного потока, может сотрясать самолет. Таким образом, ученые полагаются на моделирование больших вихрей (LES), метод вычислительной гидродинамики, для моделирования турбулентных потоков и лучшего понимания CAT. Однако одной из основных проблем LES является значительная вычислительная мощность, необходимая для моделирования этих сложных взаимодействий.

Чтобы преодолеть это препятствие, исследовательская группа Университета Нагои использовала экзафлопсную вычислительную систему, известную как суперкомпьютер Fugaku, для тщательного моделирования процесса генерации турбулентности с использованием LES высокого разрешения. Fugaku, расположенный в Центре вычислительных наук Riken в Кобе, Япония, представляет собой высокопроизводительную вычислительную систему, которая в настоящее время считается вторым по скорости суперкомпьютером в мире.

Выявление закономерностей турбулентности над Токио

Используя огромные вычислительные мощности Fugaku, доктор Рёичи Йошимура из Университета Нагоя и его коллеги, в том числе доктор Джунши Ито из Университета Тохоку, провели моделирование зимней CAT со сверхвысоким разрешением над токийским аэропортом Ханеда, вызванное низким давлением и близлежащим горным хребтом.

Они обнаружили, что возмущение скорости ветра произошло из-за коллапса волны неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Этот тип неустойчивости возникает на границе раздела двух слоев воздуха с разными скоростями, создавая волнообразные эффекты и несколько мелких вихрей, вызывающих турбулентность.

Валидация и последствия исследования

После проведения расчетов команда сверила смоделированные вихри с реальными данными. «Вокруг Токио доступно много данных наблюдений, подтверждающих наши результаты», — сказал Йошимура. «Над аэропортами пролетает много самолетов, что приводит к многочисленным сообщениям о турбулентности и сильной тряске. Использовались также наблюдения за атмосферой с аэростата в районе Токио. Данные о встряхивании, записанные в то время, использовались, чтобы показать, что расчеты верны».

«Результаты этого исследования должны привести к более глубокому пониманию принципа и механизма генерации турбулентности с помощью моделирования с высоким разрешением и позволить нам более подробно исследовать влияние турбулентности на самолеты», — сказал Йошимура. «Поскольку было показано, что в ограниченной трехмерной области возникает значительная турбулентность, маршрут без полета в этом регионе возможен путем корректировки эшелонов полета, если наличие активной турбулентности известно заранее. LES обеспечит умный способ полета, предоставляя более точные прогнозы турбулентности и предсказания в реальном времени».

Ссылка: «Турбулентность в ясном небе разрешена с помощью численной модели прогнозирования погоды, подтвержденной бортовыми и виртуальными полетными данными», Р. Йошимура, Дж. Ито, П.А. Шиттенхельм, К. Судзуки, А. Якено и С. Обаяси, 21 июня 2023 г., Письма о геофизических исследованиях.
DOI: 10.1029/2022GL101286

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме