Frontier acelera el diseño de aviones al resolver la turbulencia

El desarrollo de aeronaves más seguras, rápidas y eficientes en combustible depende de comprender uno de los problemas físicos más complejos: la turbulencia, caracterizada por un flujo de aire caótico. Para abordar este desafío, investigadores de Boeing utilizaron Frontier, el primer superordenador exascale del mundo ubicado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE.UU., para simular cómo la acumulación de hielo y el flujo de aire turbulento microscópico afectan el rendimiento durante fases críticas como el aterrizaje.

Estas simulaciones tienen como objetivo ayudar a los ingenieros a mejorar los diseños, explicar resultados que han desconcertado a los experimentos en túneles de viento y acelerar el desarrollo de aviones con mayor eficiencia energética. Según la investigación de la compañía, una reducción del 1% en la resistencia aerodinámica durante el crucero puede disminuir el consumo de combustible en un 0,75%, lo que reduce los costos operativos de las líneas aéreas y podría bajar el precio de los boletos.

La turbulencia sigue siendo un reto físico

El flujo de aire alrededor de una aeronave cambia constantemente entre un movimiento suave y ordenado y la turbulencia caótica. Predecir exactamente cuándo y cómo ocurre esa transición permanece como uno de los mayores desafíos sin resolver en la mecánica de fluidos. La dificultad radica en la enorme cantidad de moléculas de aire que interactúan cerca de la superficie del avión.

Los investigadores se han centrado durante mucho tiempo en la capa límite, la fina capa de aire que fluye más cerca de un ala, donde pequeños cambios determinan la resistencia que experimenta la aeronave. Capturar estas interacciones requiere simulaciones que examinen el flujo de aire a escala casi microscópica; cuanto más detalle incluyen los ingenieros, más exigentes computacionalmente se vuelven los cálculos.

Métodos tradicionales frente a CFD

La aerodinámica de las aeronaves suele estudiarse mediante túneles de viento, pruebas de vuelo y simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD). Aunque los túneles de viento y los experimentos de vuelo proporcionan datos valiosos, resultan costosos y consumen mucho tiempo. La CFD ofrece una alternativa más rápida dividiendo el avión en una malla digital compuesta por cientos de millones de celdas diminutas, algunas de solo milímetros.

El software calcula propiedades del flujo de aire, incluyendo presión, velocidad y temperatura, para cada celda y luego las combina en una imagen completa del entorno aerodinámico. La mayoría de los ingenieros dependen de simulaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS), que estiman la turbulencia en lugar de calcular cada remolino de aire. Este método es suficientemente rápido para simulaciones completas, pero no captura con precisión los flujos turbulentos que cambian rápidamente.

Frontier reduce meses a días

Aquí es donde Frontier marcó la diferencia. Capaz de realizar 2 quintillones de cálculos por segundo, el superordenador exascale permitió a Boeing ejecutar simulaciones que habrían tardado meses en sistemas industriales convencionales. Los investigadores usaron el sistema para estudiar cómo diferentes formas y texturas de hielo influyen en el rendimiento del ala y para modelar la turbulencia con un detalle muy superior al posible anteriormente.

Las simulaciones también ayudaron a evaluar los sistemas antihielo de las aeronaves y explicaron observaciones previas de túneles de viento que carecían de interpretación. Según Boeing, los modelos de mayor fidelidad predijeron el coeficiente de sustentación de un avión dentro de un margen del 1%, otorgando a los ingenieros mayor confianza para avanzar hacia la producción con diseños prometedores. El equipo considera que estos hallazgos podrían beneficiar a la industria aeroespacial en general, ya que los métodos de simulación se basan en un modelo de avión ampliamente estudiado sobre el cual otros investigadores pueden construir mejoras futuras.