Des chercheurs de l’université de Nagoya ont simulé avec succès des turbulences en air clair autour de Tokyo à l’aide du superordinateur japonais Fugaku, ce qui a permis de mieux comprendre les causes des turbulences et d’améliorer potentiellement la sécurité aérienne.
Un groupe de recherche de l’université de Nagoya a utilisé le superordinateur japonais Fugaku pour simuler des turbulences en air libre autour de Tokyo, améliorant ainsi les modèles prédictifs actuels. L’étude, publiée dans la revue Geophysical Research Letters, a identifié l’effondrement de l’onde d’instabilité de Kelvin-Helmholtz comme l’une des causes principales des turbulences. En validant leurs simulations par rapport à des données d’observation réelles, les chercheurs espèrent améliorer la compréhension de la formation des turbulences et de leur impact sur les avions, ce qui pourrait améliorer la sécurité des vols.
Sommaire
Simulation précise des turbulences de l’air à l’aide de superordinateurs
Une équipe de chercheurs de l’université de Nagoya a utilisé avec succès le superordinateur le plus rapide du Japon pour simuler avec précision les turbulences de l’air autour de Tokyo. Ils ont ensuite croisé leurs résultats avec des données de vol réelles afin d’améliorer la précision de leur modèle prédictif. Ces travaux ont été publiés dans la revue Geophysical Research Letters.
Comprendre la turbulence en air clair (CAT)
Bien que les turbulences aériennes soient généralement associées au mauvais temps, la cabine d’un avion peut être violemment secouée même par une journée ensoleillée et sans nuages. Connus sous le nom de turbulences en air clair (CAT), ces mouvements d’air turbulents peuvent se produire en l’absence de nuages visibles ou d’autres perturbations atmosphériques. Bien que les mécanismes exacts à l’origine des CAT ne soient pas entièrement compris, on pense qu’ils sont principalement dus au cisaillement du vent et à l’instabilité atmosphérique.
Le CAT constitue une menace importante pour la sécurité aérienne. Des turbulences imprévues au cours d’une journée par ailleurs tranquille peuvent provoquer des blessures chez les passagers et les membres d’équipage, endommager les aéronefs et perturber les opérations de vol. Les pilotes utilisent des données provenant d’autres aéronefs, de radars météorologiques et de modèles atmosphériques pour anticiper et éviter les turbulences. Cependant, il est particulièrement difficile de prévoir les CAT, car elles ne présentent pas d’indicateurs visibles tels que les nuages ou les orages.
La simulation à grande échelle (LES) et le défi de la puissance de calcul
La création de tourbillons, ou vents tourbillonnants qui entraînent des changements soudains dans l’écoulement de l’air, peut ébranler un avion. C’est pourquoi les scientifiques s’appuient sur la simulation des grands tourbillons (LES), une technique de calcul de la dynamique des fluides, pour modéliser les écoulements turbulents et mieux comprendre la CAT. Cependant, l’un des principaux défis de la LES est la puissance de calcul considérable requise pour simuler ces interactions complexes.
Pour surmonter cet obstacle, l’équipe de recherche de l’université de Nagoya a utilisé un système de calcul exascale, le supercalculateur Fugaku, pour simuler en détail le processus de génération de turbulences à l’aide de la LES à haute résolution. Situé au Riken Center for Computational Science à Kobe, au Japon, Fugaku est un système de calcul à haute performance qui est actuellement classé comme le deuxième superordinateur le plus rapide au monde.
Découverte des schémas de turbulence au-dessus de Tokyo
Ryoichi Yoshimura de l’université de Nagoya et ses collègues, dont Junshi Ito de l’université de Tohoku, ont réalisé une simulation à très haute résolution de la CAT hivernale au-dessus de l’aéroport Haneda de Tokyo, déclenchée par une basse pression et une chaîne de montagnes voisine.
Ils ont découvert que la perturbation de la vitesse du vent était due à l’effondrement de l’onde d’instabilité Kelvin-Helmholtz. Ce type d’instabilité se produit à l’interface entre deux couches d’air de vitesses différentes, créant des effets de vague et plusieurs tourbillons fins qui provoquent des turbulences.
Validation et implications de la recherche
Après avoir effectué ses calculs, l’équipe a validé les tourbillons simulés en les comparant à des données réelles. « Autour de Tokyo, de nombreuses données d’observation sont disponibles pour valider nos résultats », a déclaré Yoshimura. « De nombreux avions survolent les aéroports, ce qui donne lieu à de nombreux rapports sur les turbulences et l’intensité des secousses. Des observations atmosphériques effectuées à l’aide d’un ballon près de Tokyo ont également été utilisées. Les données relatives aux secousses enregistrées à ce moment-là ont été utilisées pour montrer que les calculs étaient valables. »
« Les résultats de cette recherche devraient permettre de mieux comprendre le principe et le mécanisme de génération de turbulences par simulation à haute résolution et d’étudier plus en détail les effets des turbulences sur les avions », a déclaré M. Yoshimura. « Puisqu’il a été démontré qu’une turbulence importante se produit dans la région 3D limitée, il est possible d’établir un itinéraire sans voler dans cette région en ajustant les niveaux de vol si la présence de turbulences actives est connue à l’avance. La LES permettrait de voler de manière intelligente en fournissant des prévisions de turbulences plus précises et des prévisions en temps réel. »
Référence : « Clear Air Turbulence Resolved by Numerical Weather Prediction Model Validated by Onboard and Virtual Flight Data » par R. Yoshimura, J. Ito, P. A. Schittenhelm, K. Suzuki, A. Yakeno et S. Obayashi, 21 juin 2023, Geophysical Research Letters.
DOI : 10.1029/2022GL101286