美陆军创造模拟大气湍流新技术

作者：杜神甫 来源：计算技术资讯

美国陆军研究实验室（ARL）开发了一种计算机模型，可以更有效地模拟复杂环境中大气湍流的行为，包括城市、森林、沙漠和山区。通过这种方法，士兵可以使用手边的计算机提前预测天气模式，并更准确地评估战场上飞机的飞行条件。

肉眼可能看不到湍流，在空气中，它总是以速度和压力的混乱变化的形式存在于我们周围。分析大气湍流的传统计算流体动力学方法将流体视为连续统，求解所涉及的非线性Navier Stokes微分方程。然而，由于树木、高层建筑和地形的其他方面的存在如何直接影响其行为，计算行星边界层（大气层的最低层）中的湍流可能是困难的。ARL的研究人员利用物理学家和工程师使用的Lattice-Boltzmann方法来预测小规模流体行为。Lattice-Boltzmann方法将流体看作是一个粒子集合而不是一个连续统，并被广泛地应用于流体模拟中，以精确地描述流体动力学。

研究人员发现，该技术可以精确地模拟大气湍流，同时要求的计算量明显少于非线性Navier-Stokes微分方程的计算量，从而减少了相邻行为的数量。这种多弛豫时间Lattice-Boltzmann方法导出了一种先进的大气边界层环境模型，该模型可以应用于军事战术计算平台。

除天气预报外，这个模型的开发对陆军作战的许多其他方面都有重大影响。大气湍流会显著影响光波和声波的行为，直接影响士兵可以看到的和听到的。它可以作为侦察中的重要因素，并改变激光传播的路径或声音从系统发出的方式。

据分析，小型无人机系统也受到湍流涡流的支配，当一阵风袭击建筑物时可能会出现这种情况。了解湍流的影响可以帮助小型无人机系统避免碰撞，甚至利用现有的上升气流来飞行，不需要螺旋桨，从而节省能量。在民用方面也可以找到潜在的应用。在处理化学泄漏、工业火灾和其他人为或自然灾害时，更好地了解边界层湍流有助于准备和应急响应中的规划。