橡树岭国家实验室 在这两种流体流动模拟模型中，灰色球体代表固体介质，而润湿相流体和非润湿相流体分别以深蓝色和浅蓝色显示
信用:橡树岭国家实验室 1922年，英国气象学家刘易斯·弗莱·理查森发表了《数值分析的天气预报》
这项有影响力的工作包括几页描述多种流体(气体和液体)流经多孔介质系统的方式以及该模型如何用于天气预报的现象学模型
从那以后，研究人员继续建立和扩展理查森模型，其原理已被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的卡斯·米勒和威廉·格雷教授就是两位这样的研究人员，他们共同致力于开发一种更完整、更精确的流体流动建模方法
通过美国能源部(DOE)授奖，米勒和他的团队被授予访问位于橡树岭领导计算设施(OLCF)的IBM AC922 Summit超级计算机的权限，该设施是位于美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的美国能源部科学办公室用户设施
这台200拍的机器的巨大能量意味着米勒可以用一种在理查森时代不可思议的方式来处理双流体流(液体或气体的混合物)
打破传统 米勒的工作集中在计算和模拟双流体流经多孔介质(例如岩石或木头)的方式
许多因素影响流体通过多孔介质的运动，但是由于不同的原因，并不是所有的计算方法都考虑它们
一般来说，影响这些流体传输的基本现象——如质量和动量的传递——在小范围内被研究人员很好地理解，并且可以被精确地计算出来
“如果你从更小的尺度来看多孔介质系统，”米勒说，“一个连续体尺度，比如说，一个点完全存在于一个流体相或一个固相中，我们对这个尺度上的输运现象理解得相对较好——我们称之为微尺度
不幸的是，我们不能在微观上解决很多问题
一旦你开始思考固体粒子在哪里，每种流体在哪里，在计算上和实践上描述一个如此规模的系统就变得势不可挡
" 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大多数实际的流体流动问题，在这个尺度上计算变得更加可行
因为许多现实世界的应用需要多个流体流动问题的答案，科学家们不得不牺牲模型中的某些细节来获得可利用的解决方案
此外，理查森的唯象模型在更大的尺度上没有正式的推导，这意味着基本的微观物理，例如，在传统的宏观尺度模型中没有明确的表示
在理查森的时代，这些遗漏是明智的
没有现代计算方法，将微型物理学与大规模模型联系起来几乎是不可想象的任务
但是现在，在世界上最快的开放科学超级计算机的帮助下，米勒和他的团队正在弥合微观和宏观尺度之间的鸿沟
为此，他们开发了一种被称为热力学约束平均理论(TCAT)的方法
“TCAT的想法是克服这些限制，”米勒说
“我们能不能以某种方式从已经被很好或更好理解的物理开始，得到描述我们在宏观尺度上感兴趣的系统的物理模型？” 用于模型构建、闭合、评估和验证的TCAT框架
信用:橡树岭国家实验室 TCAT方法 微观物理学为描述多孔介质系统中的输运现象提供了基础
然而，为了解决社会感兴趣的问题，米勒的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
“TCAT模型背后的想法是我们从微观尺度开始，”米勒说，“我们采用较小尺度的物理，包括热力学和守恒原理，我们以严格的数学方式将所有这些提升到较大的尺度，出于必要，我们必须应用这些模型
米勒的团队使用Summit来帮助理解微观尺度上的详细物理行为，并使用这些结果来帮助验证TCAT模型
米勒说:“我们希望通过将这一新理论分离开来，观察单个机制，以及更大的系统和整体模型来评估它。”
“我们这样做的方式是小规模计算
我们通常在晶格上进行模拟，晶格可以有数十亿个位置，在某些情况下超过一千亿个晶格位置
这意味着我们可以在精确的尺度上为足够大的系统精确地解析物理，以满足我们评估和验证这些模型的愿望
“峰会提供了一个独特的资源，使我们能够执行这些高分辨率的微型模拟，以评估和验证这一令人兴奋的新类别的模型，”他补充说
OLCF科学计算小组的马克·贝里尔与该小组合作，对高分辨率微型模拟进行分析
为了继续这项工作，米勒和他的团队通过2020年煽动计划在峰会上又获得了340，000个节点小时
米勒说:“虽然我们已经为如何在更大范围内模拟这些系统制定了理论，但我们正在通过INCITE评估和验证这一理论，并最终将其简化为造福社会的常规实践。”
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
