13:08 2023-03-24
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Calculele simplificate reproduc fluxuri complexe de plasmă
_ Calculele simplificate reproduc fluxuri complexe de plasmă
Calculul precis și rapid al fluxului de căldură (transportul căldurii) datorită fluctuațiilor și turbulențelor din plasme este o problemă importantă în elucidarea mecanismelor fizice ale reactoarelor de fuziune și în prezicerea și controlul performanței acestora.
Un grup de cercetare condus de profesorul asociat Motoki Nakata de la Institutul Național pentru Știința Fuziunii și Tomonari Nakayama, doctorand la Universitatea Absolventă pentru Studii Avansate, a dezvoltat cu succes un model matematic de înaltă precizie pentru prezice nivelurile de transport de căldură. Acest lucru a fost realizat prin aplicarea unei metode de optimizare matematică la o mulțime de date de turbulență și transport de căldură obținute din calcule numerice la scară largă folosind un supercomputer.
Acest nou model matematic permite predicția turbulenței și transportului de căldură în fuziune. plasme folosind doar calcule numerice simplificate la scară mică, care sunt de aproximativ 1.500 de ori mai rapide decât cele convenționale la scară mare. Acest rezultat al cercetării nu numai că va accelera cercetarea privind turbulența plasmei de fuziune, dar va contribui și la studiul diferitelor fenomene complexe de curgere cu fluctuații, turbulențe și debite.
Lucrul care rezumă acest rezultat al cercetării a fost publicat în acces deschis în ediția online a Rapoartelor științifice din 16 martie.
În general, calculele numerice la scară largă folosind supercalculatoare sunt indispensabile pentru cuantificarea mecanismelor fizice ale structurilor și mișcărilor complexe, cum ar fi curenții atmosferici și oceanici, transducția semnalului neuronal în creierul și dinamica moleculară a proteinelor.
Într-un reactor de fuziune, plasmele la temperatură înaltă (material gazos la temperatură înaltă în care electronii și ionii nucleari se mișcă separat) sunt limitate de câmpuri magnetice și un starea complexă numită turbulență poate apărea în plasmă. Mișcarea complexă a vârtejurilor cu dimensiuni diferite provoacă fluxul de căldură (transportul căldurii) în turbulență. Dacă căldura confinată din plasmă se pierde din cauza turbulenței, performanța reactorului de fuziune va fi degradată, astfel turbulența plasmei este una dintre cele mai importante probleme în cercetarea fuziunii.
Calcule numerice la scară largă privind supercalculatoarele au fost folosite pentru a investiga mecanismul de generare a turbulenței plasmei, cum să o suprimați și transportul de căldură din cauza turbulenței. Calculele neliniare sunt folosite pentru a rezolva ecuațiile de mișcare ale plasmei. Cu toate acestea, deoarece turbulența variază în funcție de starea plasmei, sunt necesare resurse de calcul enorme pentru a efectua calcule neliniare la scară largă pentru întreaga regiune a plasmei cu o varietate de stări. Au existat multe cercetări care au încercat să reproducă rezultatele calculelor neliniare prin modele teoretice simplificate sau calcule numerice la scară mică, dar precizia degradată pentru diferite condiții de plasmă și gama limitată de aplicații au lăsat loc de îmbunătățire. Prin urmare, a fost nevoie de un nou model matematic care să poată rezolva aceste probleme.
Un grup de cercetare condus de profesorul asociat Motoki Nakata de la Institutul Național pentru Știința Fuziunii și Tomonari Nakayama, doctorand al Universității Absolvente. pentru Studii Avansate, profesorul Mitsuru Honda de la Universitatea Kyoto, dr. Emi Narita de la Institutul Național pentru Știință și Tehnologie Cuantică, profesor asociat Masanori Nunami și profesor asistent Seikichi Matsuoka de la Institutul Național pentru Știința Fuziunii și-au condus studiul asupra unei metode noi de a reproduce rezultatele calculelor neliniare ale turbulenței și transportului de căldură prin calcule „liniare”, care sunt cele la scară mică bazate pe o ecuație simplificată a mișcării. Astfel, s-a realizat o predicție de mare viteză și de mare precizie, cu aplicabilitate mai largă.
În primul rând, prof. Nakata și colegii săi au efectuat o serie de calcule neliniare la scară largă pentru a analiza turbulențele în mai multe locații din plasmă și în multe stări de distribuție a temperaturii și au obținut date despre intensitatea turbulenței și căldura. nivelul transportului. Apoi au propus un model matematic simplificat bazat pe considerații fizice pentru a-l reproduce. Acesta conținea opt parametri de reglare și a fost necesar să se găsească valorile lor optime pentru a reproduce cel mai bine datele din calculele neliniare la scară largă. Domnul Nakayama, un student absolvent, a căutat valorile optime într-un număr mare de combinații prin aplicarea tehnicilor de optimizare matematică utilizate în găsirea căilor și învățarea automată. Drept urmare, el a reușit să construiască un nou model matematic care menține o precizie ridicată și extinde foarte mult gama de aplicabilitate în comparație cu cea utilizată în cercetările anterioare.
Prin combinarea acestui model matematic cu calcule liniare pentru instabilitatea plasmei, acum este posibil să se prezică turbulența în plasmă și nivelul de transport al căldurii cu o precizie ridicată — de aproximativ 1.500 de ori mai rapid decât calculele convenționale neliniare la scară mare.
Noul model matematic rapid și precis va accelera foarte mult cercetarea asupra turbulenței în plasme de fuziune. În plus, modelul va avansa și cercetările privind simulările integrate, combinând modelul matematic al turbulenței și simulările numerice ale celorlalte fenomene (de exemplu, variații temporale ale distribuției de temperatură și densitate, câmp magnetic de izolare etc.) pentru a analiza întregul câmpul plasmei de fuziune. În plus, modelul este de așteptat să contribuie la înțelegerea mecanismului de suprimare a transportului de căldură determinat de turbulențe și să aducă o contribuție semnificativă la cercetarea către reactoare de fuziune inovatoare bazate pe un astfel de mecanism.
Provocarea a prezice „complexitatea” din „simplitate” este o problemă comună în diverse științe și tehnologii care se ocupă de structuri și dinamici complexe. În viitor, vom aplica metodele de modelare dezvoltate în această cercetare la studiul fluxurilor complexe, fără a se limita la plasme de fuziune.
Comentarii:
Adauga Comentariu