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斯图加特大学空气动力学与气体动力学研究所 (IAG) 的科学家们创建了一个全新的数据集，该数据集将有助于改进湍流模型的开发。借助斯图加特高性能计算中心 (HLRS) 的 Hawk 超级计算机，Christoph Wenzel 博士实验室的研究人员对空间演化的湍流边界层进行了大规模直接数值模拟。
该模拟在 Hawk 上耗费了超过 1 亿个 CPU 小时，其独特之处在于它能够在单个计算域中捕捉到典型、完全发展的湍流状态的起始点。研究还以前所未有的清晰度发现关键拐点——当湍流边界层外层向高雷诺数演进时，会维持稳定的自相似结构。该研究结果发表在《Journal of Fluid Mechanics》上的一篇新论文中。
“我们团队的目标是了解湍流边界层中未探索的参数状态，”Wenzel实验室的博士生、这项研究的负责人Jason Appelbaum说道。“通过运行大规模模拟，完全解析湍流从早期到发展状态的整个发展过程，我们生成了第一个可靠的全分辨率数据集，用于研究高雷诺数效应是如何产生的。”
湍流在飞机表面产生高剪切应力，增加阻力，降低飞行效率。航空航天工程师依赖计算模型预测其影响。工业模型需实用高效，而非物理绝对精确。
然而，开发这些简化模型需先进行科研模拟。因此，Wenzel实验室使用超级计算机运行其高分辨率软件NS3D，研究湍流边界层基本物理。
科学家用雷诺数（惯性力与粘性力之比）表征湍流状态。低雷诺数时湍流被粘性抑制；高雷诺数时湍流边界层增厚，出现复杂大尺度结构，特性显著变化。
过去计算流体动力学（CFD）模拟因计算量相对可控，已生成丰富低雷诺数数据。实验提供了宝贵的高雷诺数数据，但受限于传感器尺寸和测量精度（如剪切应力）。
因此，现有数据是低雷诺数模拟和高雷诺数实验。对两者间的过渡状态，由于两方法的限制，研究始终不足。Wenzel实验室的Appelbaum团队正致力解决此问题。
阿佩尔鲍姆团队利用HLRS的Hawk超级计算机，通过多次模拟拼接，重现了湍流边界层从低到高雷诺数的完整演变。虽然模拟仅对应2马赫下20毫秒的真实情况，但计算规模巨大：消耗超算1/4资源（1024节点/13万核心），进行数百次短时运行，总计耗费300万核时（超30天）。
"少有团队愿投入如此算力，" 阿佩尔鲍姆坦言，"我们孤注一掷填补研究空白。"
研究取得关键突破：聚焦表面摩擦系数（表征表面剪切应力），首次揭示低/高雷诺数数据的融合路径。过去依赖插值估算的过渡区，实则存在急剧转变。
团队发现边界层外部90%区域达成自相似状态时，表面摩擦缩放规律变化。阿佩尔鲍姆用照片比例比喻："1:2长宽比照片，无论手掌或巴士尺寸，元素关系保持不变。湍流边界层达到特定雷诺数后亦如此。" 这种状态将持续至航空级高雷诺数，为湍流行为提供早期预测依据。
该研究创建了首个覆盖中雷诺数的湍流边界层综合数据集，填补了CFD领域关键空白。温泽尔实验室下一步将探究该区域发现的物理拐点机制，已有初步理论并计划发表后续论文。
团队同步将NS3D代码移植到HLRS新型GPU超算Hunter。在AMD等技术支持下，已确保代码在GPU架构中保持精度与性能，未来数月将进行深度优化。阿佩尔鲍姆表示："升级后能模拟更大湍流区域，并可同步研究多参数缩放行为。"
实验室成员吉比斯近期完成论文答辩，成功统一湍流边界层的传热与压力梯度缩放理论。阿佩尔鲍姆强调，结合雷诺数效应继续深化该方向"具有极高科学价值"，并指出HLRS是此类繁重计算的基石。
最终，该数据集将推动更精准湍流模型发展，助力飞机/发动机等装备在更广工况下的气动优化。
此研究支持发现的数据已在以下网址开放获取：https://doi.org/10.18419/darus-4165.
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