98年前发表的流体流动，如今却要用超级计算机，才能把它吃透！

睿智奔腾小马

1922年英国气象学家刘易斯·弗莱·理查森发表了《数值分析天气预报》一书，这部颇具影响力的著作有几页篇幅，专门介绍了一种现象学模型，该模型描述了多种流体（气体和液体）在多孔介质系统中的流动方式，以及该模型如何用于天气预报。从那时起，科学家继续在理查森模型的基础上进行构建和扩展，并将其原理应用于石油和环境工程、水文学和土壤科学等领域。


北卡罗来纳大学教堂山分校教授卡斯·米勒(Cass Miller)和威廉·格雷(William Gray)就是这样的两位研究人员，他们共同致力于开发更完整、更准确的流体流动建模方法。通过美国能源部(DOE)INSITE奖，米勒和团队获得了在橡树岭领导计算设施(OLCF)的IBM AC922超级计算机访问权限，该设施是美国能源部科学办公室的用户设施，位于美国能源部的橡树岭国家实验室(ORNL)。
打破传统
200petaflop机器的巨大功率，意味着米勒可以用理查森时代不可想象的方式来处理双流体流动（液体或气体的混合物）问题。米勒的工作重点在于计算和模拟两种流体流过多孔介质（例如岩石或木材）的方式。
影响流体在多孔介质中运动的因素很多，但由于不同的原因，并不是所有计算方法都考虑这些因素。一般来说，影响这些流体传输的基本现象（比如质量和动量的传递）在小范围内被研究人员很好地理解，并且可以准确地计算出来。


（上图所示）在这两种流体流动模拟模型中，灰色球体表示固体介质，而液体相流体和气体流体分别以深蓝色和浅蓝色表示。图片：Oak Ridge National Laboratory
如果在一个较小的尺度上观察多孔介质系统，一个连续尺度，比如说，一个点完全存在于一个液体相或一个固相内，相对较好地理解了那个尺度上的传输现象（称之为微尺度）。
不幸的是，我们不能在微观尺度上解决很多问题，一旦开始考虑固体颗粒在哪里，每种流体在哪里，那么在那个尺度上描述一个系统就变得计算上和实用上令人应接不暇。为了解决这个尺度问题，研究人员传统上在宏观尺度上处理最实际的流体流动问题，在这个尺度上，计算变得更加可行。


由于许多现实世界的应用，需要解决多种流体流动问题，科学家们不得不牺牲模型中的某些细节来获得可获得的解决方案。此外，理查森的现象学模型是在更大尺度上没有正式推导的情况下，这意味着，例如基础微观尺度物理在传统的宏观尺度模型中没有明确表示。在理查森的时代，这些遗漏是明智的，如果没有现代的计算方法，将微尺度物理与大尺度模型联系起来几乎是一项不可想象的任务。


但现在，在世界上最快的开放科学超级计算机帮助下，米勒和团队正在弥合微观和宏观之间的鸿沟。为了做到这一点，他们开发了一种被称为热力学约束平均理论(TCAT)的方法。热力学约束平均理论的想法就是克服这些限制，米勒表示：我们能不能以某种方式，从人们很好或更好地理解的物理学出发，建立模型，在宏观尺度上描述我们感兴趣系统的物理学？微观尺度的物理学，为描述多孔介质系统中的传输现象提供了基础。
热力学约束平均理论
然而，为了解决社会感兴趣的问题，研究团队需要找到一种方法，将这些首要原则转化为大规模的数学模型。热力学约束平均理论模型背后的想法是从微尺度开始，从小尺度物理开始，包括热力学和守恒定律，然后以严格的数学方式将所有这些都提升到更大尺度，在那里，出于需要，必须应用这些模型。研究团队使用Summit来帮助理解微观尺度上的详细物理行为，并使用结果来帮助验证TCAT模型。


研究人员希望通过将其拆开，观察个别机制，以及观察更大的系统和整体模型来评估这一新理论，这样做的方式是在小范围内进行计算，因为经常在可能有多达数十亿个位置的晶格上进行模拟，在某些情况下超过1000亿个晶格位置。
这意味着可以精确地解决足够大系统的物理问题，这些系统足够大，可以满足评估和验证这些模型的愿望。Summit还提供了一个独特的资源，使研究人员能够执行这些高分辨率的微尺度模拟，以评估和验证这类令人兴奋的新模型。


OLCF科学计算组的Mark Berrill与该团队合作，实现了对高分辨率微尺度模拟的分析。为了继续这项研究，米勒和研究团队通过2020年激励计划在Summit上又获得了34万个节点小时。米勒表示：虽然我们已经制定了如何在更大范围内对这些系统进行建模的理论，但正在通过INSTITE来评估和验证这一理论，并最终将其减少到有益于社会的实践中。
博科园｜研究/来自：橡树岭国家实验室
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