محاكاة بوينغ باستخدام حاسوب فرونتير تكشف أسرار الاضطراب الهوائي

يعتمد تصميم طائرات أكثر أماناً وسرعة وكفاءة في استهلاك الوقود على فهم أحد أصعب الألغاز في علم الفيزياء، وهو الاضطراب أو التدفق الهوائي الفوضوي. وللتغلب على هذا التحدي، استخدم باحثو بوينغ حاسوب "فرونتير"، أول حاسوب فائق يعمل بتقنية الإكساسكيل في العالم، الموجود في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

هدفت المحاكاة إلى دراسة كيفية تأثير تراكم الجليد وتدفقات الهواء المضطربة المجهرية على أداء الطائرة خلال مراحل الطيران الحرجة مثل الهبوط. ومن المتوقع أن تساعد هذه النتائج المهندسين في تحسين التصاميم الجوية، وتفسير نتائج كانت غامضة في تجارب نفق الرياح، وتسريع تطوير طائرات موفرة للوقود.

تأثير التعديلات الديناميكية الهوائية

حتى التحسينات الصغيرة في الديناميكية الهوائية يمكن أن تحدث فرقاً ملموساً. تشير أبحاث الشركة إلى أن تقليل السحب الهوائي بنسبة 1 بالمائة فقط أثناء رحلة الإبحار يمكن أن يخفض استهلاك الوقود بنسبة 0.75 بالمائة، مما يقلل تكاليف التشغيل للشركات الجوية وقد يؤدي إلى خفض أسعار التذاكر.

يبقى التنبؤ بالتحول الدقيق بين الحركة المنتظمة والفوضى الاضطرابية تحدياً كبيراً غير محلول في ميكانيكا الموائع. يكمن الصعوبة في العدد الهائل لجزيئات الهواء المتفاعلة قرب سطح الطائرة. ويركز الباحثون منذ فترة طويلة على الطبقة الحدودية، وهي طبقة الهواء الرقيقة التي تتدفق بالقرب من الجناح، حيث تحدد التغييرات الطفيفة في تدفق الهواء مقدار السحب الذي تواجهه الطائرة.

تحديات محاكاة مليارات الحسابات

عادةً ما تُدرس ديناميكية هواء الطائرات باستخدام أنفاق الرياح ورحلات الاختبار ومحاكاة ديناميكا الموائع الحسابية (CFD). توفر اختبارات نفق الرياح والتجارب الميدانية بيانات قيمة لكنها مكلفة وتستغرق وقتاً طويلاً. بينما تقدم محاكاة CFD بديلاً أسرع عبر تقسيم الطائرة إلى شبكة رقمية تحتوي على مئات الملايين من الخلايا الدقيقة، بعضها لا يتجاوز بضعة ملليمترات.

تحسب البرمجيات خصائص التدفق الهوائي بما يشمل الضغط والسرعة ودرجة الحرارة لكل خلية، ثم تجمعها لتكوين صورة كاملة عن تدفق الهواء حول الطائرة. يعتمد معظم المهندسين على محاكاة نافييه-ستوكس المتوسطية حسب رينولدز (RANS)، والتي تقدر الاضطراب بدلاً من حساب كل دوامة هوائية. هذه الطريقة سريعة بما يكفي لمحاكاة الطائرة بالكامل لكنها لا تستطيع التقاط التدفقات المضطربة سريعة التغيير بدقة.

دور الحوسبة الفائقة في تسريع العمل

هنا لعب حاسوب "فرونتير" دوراً حاسماً. إذ يستطيع النظام إجراء 2 كوينتيليون عملية حسابية في الثانية، مما مكن بوينغ من تشغيل محاكاة كانت ستستغرق شهوراً على الأنظمة الصناعية التقليدية. استخدم الفريق النظام لدراسة كيفية تأثير أشكال ونسيج الجليد المختلفة على أداء الأجنحة، ولنمذجة الاضطراب بتفصيل أكبر بكثير مما كان ممكناً سابقاً.

ساعدت المحاكاة أيضاً في تقييم أنظمة منع تجمد الطائرات وفسرت ملاحظات سابقة في نفق الرياح لم تكن مفهومة. وفقاً لبوينغ، تنبأت النماذج عالية الدقة بمعامل الرفع للطائرة ضمن هامش خطأ لا يتجاوز 1 بالمائة، مما يمنح المهندسين ثقة أكبر للانتقال بالتصاميم الواعدة إلى مرحلة الإنتاج. ويعتقد الفريق أن النتائج قد تفيد صناعة الفضاء والطيران الأوسع، لأن طرق المحاكاة تعتمد على نموذج طائرة مدروس على نطاق واسع يمكن للباحثين الآخرين البناء عليه لتحسين تصاميم الطائرات المستقبلية.