Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST) ve Torino Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi, bir sıvının ne kadar hızlı dolduğunu araştırıyor. parçacıklar Parçacık içermeyen bir parçacıkla karışan bilim adamı, yüzbinlerce hareketli parçacığı tam üç boyutta aynı anda simüle edebilen karmaşık algoritmalar ve gelişmiş süper bilgisayar kümeleri kullanarak “100.000 cisim sorunu” olarak tanımladıkları sorunu çözdü.
Şakacı bir şekilde kötü şöhretli takma adla anılan yeni çözümün arkasındaki ekip üç cisim problemiyaklaşımlarının atık su arıtma ve kimyasal arıtma süreçlerini iyileştirebileceğini ve görünüşte öngörülemeyen mücadele stratejilerinin geliştirilmesine yardımcı olabileceğini savunuyor. çevresel gibi olaylar obruklar Ve toprak ikinci tur.
“Üç Cisim Problemi Bilinen Karmaşıksa, 100.000 Cisim Problemini Hayal Edin.”
hesaplanmasına rağmen hareket Tek bir nesnenin hesaplanması nispeten basittir; sistemler ikiden fazla farklı nesne içerdiğinde, bunların karmaşık etkileşimini hesaplamanın oldukça sinir bozucu olduğu kanıtlanmıştır. Bilim adamlarının kolektif hesaplamalar yapması gereken astrofizikte yerçekimi kuvvetleri bir içinde gezegen sistemiBu bilmece ünlü bir şekilde “üç cisim problemi” olarak bilinir.
Bu kadar küçük ölçeklerde birden fazla nesnenin etkileşimini hesaplamak, düşme hızı gibi günlük olayları karakterize etmek de dahil olmak üzere aynı derecede zorlayıcı olmuştur. yağmur damlaları veya bir nehrin ağzına çöken tortunun oranı. Bu anlaşılması zor matematiksel prensipler aynı zamanda tortul malzemenin yükselen sularda karışmasını da yönetir. dumandavranışı toz fırtınalarıdinamikleri nükleer patlamalarve diğer bazı fenomenler.
Araştırmacılar, “Tek tek kum tanelerinin bir nehrin dibine nasıl düştüğünün mekaniğini veya hatta tortuyla dolu ve temiz su arasındaki genel karışım oranını bilimsel olarak açıklamak, ilgili kuvvetlerin muazzam karmaşıklığı ve uzun vadeli etkileşimlerin öngörülemezliği nedeniyle zorlaştırılıyor.” açıklamak.
OIST ve Torino Üniversitesi ekibine göre bu soruların tümü, parçacık içeren sıvıların parçacık içermeyen sıvılarla nasıl karıştığını anlamaya yöneliktir. Bu, her bir parçacığın sıvı içindeki ağırlığını ve hacimsel yer değiştirmesini, her bir parçacığın sürtünme yoluyla sıvıyı nasıl sürüklediğini, yerçekimi veya ivme alanı gibi herhangi bir dış etkiyi ve her bir parçacığın salt varlığının diğerleri üzerindeki genel etkisini karakterize etmeyi içerir.
OIST Karmaşık Akışkanlar ve Akışlar Birimi’nde doktora öğrencisi ve ekibin araştırmasını detaylandıran çalışmanın ilk yazarı Simone Tandurella, “Üç cisim problemi oldukça karmaşıksa, 100.000 cisim problemini hayal edin” dedi.
“Hesaplamalı Olarak Oluşturulmasının İmkansız Olduğu Düşünülen” Bir Sürecin Simülasyonu
100.000 cisim probleminin ‘çözümünü’ açıklayan açıklamaya göre araştırmacılar, yüz milyonlarca farklı noktadan oluşan bir sıvı içinde asılı duran 100.000 üç boyutlu parçacığın hareketini simüle ederek işe başladıklarını belirtiyor. Bu çabadan önce ekip, eşzamanlı olarak etkileşime giren bu birçok parametrenin “şimdiye kadar hesaplamalı olarak oluşturulmasının imkansız olduğu düşünülüyordu” dedi.
Tandurella, bu sürecin, her bir katı parçacığın sıvı içindeki çevre noktalara uyguladığı kuvvetlerin ve sıvının parçacık üzerine uyguladığı kuvvetlerin hesaplanmasını içerdiğini söyledi. Bu kuvvetleri hesapladıktan sonra araştırmacı, ekibin her bir parçacık için kuvvetleri toplayacağını, ızgara boyunca akışkan hareketine ilişkin temel Navier-Stokes denklemlerini çözeceğini ve ardından “bir adım hareket edeceğini” söyledi.
Tandurella, “Bu milyonlarca adımla yapılıyor” diye açıkladı.
100.000 cisim probleminin karmaşıklığı göz önüne alındığında ekip, uzun yıllar boyunca geliştirdikleri ve akışkan modelleme denklemini geniş ölçekte ele alabilecek son derece uzmanlaşmış bir yazılım kullandı. Tandurella ayrıca bu karmaşık denklemlerin çözülmesinin ancak “OIST süper bilgi işlem kümesinin benzersiz mimarisi” ile mümkün olabileceğini kaydetti.
Araştırmacı, “Her ikisi de olmasaydı mümkün olmazdı” diye açıkladı.
Yaklaşım Anında Sonuç Sağlar
Çözümlerini test etmek için araştırmacılar tortu bulutu oluşumunu modellediler. Süper bilgisayar simülasyonlarına göre, ağır parçacıklar yerçekimi nedeniyle sıvı havuzunda asılı kaldığında, sürtünme etraflarındaki sıvıyı da aşağı doğru çekiyor. Ekip, bunun, sıvıyı daha da ileriye taşımak için kendi bağımsız kuvvetlerini uygulayan çevredeki parçacıkları “birlikte çektiğini” söyledi. Daha önce hesaplanamayan bu dinamik, tortu bulutlarının oluşmasına neden olur.
“Bulanık bulut, eşdeğer hacimdeki berrak sıvının yerini alıyor, bu da eşdeğer oranda yükseliyor ve tortu dolu sıvıyı daha da aşağıya doğru itiyor” diye açıkladılar.
Ekibin 100.000 cisim sorununa getirdiği çözüm, başka bir mekanizmanın da iş başında olduğunu ortaya çıkardı. Bir parçacığın son hızı onu çevreleyen sıvıya göreli olduğundan, oluşan bulutun merkezine en yakın parçacıklar “gittikçe daha yüksek hızlara doğru hızlanır.” Bu asimetrik hareketin sonucu genel karışım oranını artırarak duman oluşumlarını daha da artırır.
Karmaşık Akışkanlar ve Akışlar Birimi başkanı Profesör Marco Rosti, parçacıklar ve akışkanlar arasındaki tam etkileşimleri ihmal eden önceki simülasyonlar kullanılarak bu tür olayların çözülmesinin “gözlemlenemeyeceğini” belirtti.
Profesör Rosti, “Bu, bu davranışları doğru bir şekilde kopyalayabildiğimiz ve inceleyebildiğimiz ilk seferdir” diye açıkladı.
Büyük Ölçekli Akışkan-Parçacık Kararsızlıklarını Anlamak için ‘Temel Yapboz Parçaları’
Ekip, simülasyonların potansiyel etkisini ve tortu karışım hızı gibi olguları doğru bir şekilde tanımlamak için gereken teorik çerçeveyi tartışırken, bunun fizik ve ilgili alanlardaki araştırmacılara “fizik ve diğer alanlardaki çok çeşitli temel olgulara daha iyi erişim” sağlayacağını söyledi.
Bunlar, atık su arıtma tesisleri veya kimyasal rafineri operasyonları gibi dinamik akışkan sistemlerine yönelik araştırmaları içerir.
Tandurella, “Hem simülasyonlar hem de elde ettiğimiz model, çok çeşitli temel fizik olgularının yanı sıra akışkan mühendisliğinde uygulamalı araştırmalara yönelik heyecan verici araştırmalara olanak sağlıyor” diye açıkladı. “Akışkan parçacık kararsızlıklarını büyük ölçeklerde anlamamıza yardımcı olabilecek temel yapboz parçalarını sağlıyorlar.”
Çalışma “Türbülanslı sedimantasyonda yeni bir karıştırma şekli”Fiziksel İnceleme Mektuplarında yayınlandı.
Christopher Plain, Bilim Kurgu ve Fantazi roman yazarı ve The Debrief’te Baş Bilim Yazarıdır. Onu takip edin ve onunla bağlantı kurun X, onun kitapları hakkında bilgi edinin plainfiction.comveya doğrudan şu adrese e-posta gönderin: [email protected].
