Суперкомпьютер Frontier помог Boeing решить задачи авиационной физики

Проектирование более безопасных, быстрых и экономичных самолетов требует решения одной из самых сложных проблем физики — турбулентности, или хаотического потока воздуха. Для преодоления этого вызова исследователи компании Boeing применили суперкомпьютер Frontier, первый в мире эксаскальный вычислительный комплекс, расположенный в Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) при Министерстве энергетики США.

С помощью этой системы были смоделированы процессы накопления льда и микроскопической турбулентности, влияющие на характеристики летательного аппарата во время критических фаз полета, таких как посадка. Полученные результаты должны помочь инженерам совершенствовать конструкции самолетов, объяснять данные ветровых испытаний, которые ранее оставались необъяснимыми, а также ускорить создание более топливно-эффективных воздушных судов.

Турбулентность остается нерешенной задачей механики жидкостей

Поток воздуха вокруг самолета постоянно переходит от гладкого упорядоченного движения к хаотичной турбулентности. Точное предсказание момента и характера этого перехода по-прежнему является одной из главных нерешенных задач в области механики жидкости. Сложность заключается в огромном количестве молекул воздуха, взаимодействующих вблизи поверхности aircraft.

Долгое время научное сообщество фокусировалось на пограничном слое — тонкой прослойке воздуха, протекающей непосредственно над крылом, где малейшие изменения потока определяют величину сопротивления. Для учета этих взаимодействий необходимы симуляции с почти микроскопическим разрешением, однако чем больше деталей включают инженеры, тем более ресурсоемкими становятся вычисления.

Миллиарды расчетов аэродинамики за дни вместо месяцев

Обычно аэродинамику изучают с помощью аэродинамических труб, летных испытаний и методов вычислительной гидродинамики (CFD). Хотя испытания в трубах и реальные полеты дают ценные данные, они отличаются высокой стоимостью и длительностью. CFD предлагает более быстрый альтернативный путь, разбивая модель самолета на цифровую сетку из сотен миллионов ячеек размером всего в несколько миллиметров.

Программное обеспечение рассчитывает свойства потока — давление, скорость и температуру — для каждой ячейки, формируя полную картину обтекания. Большинство инженеров используют усредненные по Рейнольдсу уравнения Навье–Стокса (RANS), которые оценивают турбулентность, не вычисляя каждый вихрь. Этот метод достаточно быстр для моделирования целого самолета, но не способен точно воспроизвести быстро меняющиеся турбулентные потоки. Более точные подходы требуют колоссальных вычислительных мощностей.

Именно здесь ключевую роль сыграл Frontier. Способный выполнять 2 квинтиллиона операций в секунду, эксаскальный суперкомпьютер позволил Boeing провести симуляции, которые на обычных промышленных системах заняли бы месяцы. Исследователи изучили влияние различных форм и текстур льда на эффективность крыла и смоделировали турбулентность с беспрецедентной детализацией.

Согласно данным Boeing, высокоточные модели предсказали коэффициент подъемной силы самолета с погрешностью менее 1%, что дает инженерам уверенность в переходе перспективных проектов к серийному производству. Также симуляции помогли оценить системы противообледенения и объяснить ранее непонятные наблюдения из аэродинамических труб. Команда считает, что эти методы могут быть полезны для всей аэрокосмической отрасли, так как основаны на общепризнанной модели самолета, которую другие исследователи смогут использовать для улучшения будущих конструкций.

Небольшие аэродинамические улучшения имеют измеримый эффект: снижение лобового сопротивления всего на 1% во время крейсерского полета сокращает расход топлива на 0,75%. Это приводит к уменьшению операционных расходов авиакомпаний и потенциальному снижению стоимости билетов.