ボーイング、超級計算機 Frontier を利用して乱流をシミュレーションし、航空機設計と燃料効率を向上させる

より安全で迅速、かつ燃料効率の高い航空機を設計するためには、物理学の最も難しい問題の一つである乱流、すなわち混沌とした気流についての理解が必要である。この課題に対処するため、ボーイングの研究者はアメリカ合衆国エネルギー省オークリッジ国立研究所（ORNL）の初の超級計算機 Frontier を利用してシミュレーションを行い、氷の蓄積と微視的な乱流が航空機の重要な飛行段階（例えば着陸時）の性能にどのように影響するかを探求している。これらのシミュレーションは、エンジニアが航空機設計を改善し、風洞実験での困惑した結果を解明し、より燃料効率の高い航空機の開発を加速するのに役立つと期待されている。

たとえ小さな空気力学の改善であっても、顕著な差をもたらすことがある。航空会社の研究によると、巡航飛行中にわずか 1% の空気抵抗を減少させるだけで、燃料消費を 0.75% 削減でき、航空会社の運営コストを低下させ、運賃を減少させる可能性がある。

乱流の課題と影響

乱流は依然として物理学における最も挑戦的な問題の一つである。航空機の周囲の気流は、常に安定した秩序ある運動と混沌とした乱流の間を切り替えている。この変化がいつ、どのように発生するかを正確に予測することは、流体力学における最大の未解決の課題の一つである。その難しさは、大量の空気分子が航空機の表面近くで相互作用することにある。研究者たちは長い間、翼に最も近い薄い層の気流である境界層に注目しており、ここでの微小な気流の変化が航空機が受ける抵抗を決定する。これらの相互作用を捉えるには、気流をほぼ微視的なスケールでシミュレーションする必要がある。

しかし、エンジニアが取り入れる詳細が多くなるほど、計算の要求は高くなる。

航空機の空気力学は通常、風洞、飛行試験、計算流体力学（CFD）シミュレーションを通じて研究される。風洞試験と飛行実験は貴重なデータを提供するが、コストが高く、時間がかかる。CFDは、航空機を数億の微小な単位を含むデジタルグリッドに分割することで、より迅速な代替手段を提供する。これらの単位の中には、わずか数ミリメートルのものもある。このソフトウェアは、各単位の気流特性（圧力、速度、温度など）を計算し、それを組み合わせて航空機周囲の気流の完全な画像を作成する。ほとんどのエンジニアは、乱流を推定するためにレイノルズ平均ナビエ-ストークス（RANS）シミュレーションに依存しており、これはすべての気流渦を計算するのではなく、推定を行う。

この方法は完全な航空機のシミュレーションには十分な速度を持つが、急速に変化する乱流を正確に捉えることはできない。

超級計算機 Frontier の貢献

より高精度な方法は、より大きな正確性を提供するが、膨大な計算能力を必要とする。これが Frontier の役割である。この超級計算機は、毎秒 2 夸脫（quintillion）回の計算を行うことができ、ボーイングは従来の産業システムで数ヶ月かかるシミュレーションを実行できる。研究者たちはこのシステムを利用して、異なる氷の形状や質感が翼の性能に与える影響を研究し、以前よりも高い詳細で乱流をシミュレーションしている。これらのシミュレーションは、航空機の除氷システムの評価や、以前に説明されていなかった風洞観察結果の解明にも役立っている。

ボーイングによれば、これらの高精度モデルは航空機の揚力係数の誤差がわずか 1% であることを予測しており、エンジニアは有望な設計を生産に進める自信を持つことができる。このチームは、これらの発見がより広範な航空宇宙産業に利益をもたらすと信じており、これらのシミュレーション手法は広く研究された航空機モデルに基づいており、他の研究者がこの基盤の上に未来の航空機設計を改善できると考えている。

超級計算機の航空設計における重要性

ボーイングは Frontier 超級計算機を利用して乱流シミュレーションを行い、航空設計における高効率計算の重要な役割を示している。乱流の複雑さにより、従来の方法では正確な予測が困難であり、これが航空機性能の向上を制限している。Frontier の計算能力により、研究者はより精密なシミュレーションを行うことができ、航空機設計と燃料効率を改善することが可能となる。これは航空会社の運営コストを削減するだけでなく、将来の航空技術の発展にも影響を与え、業界全体の進歩を促進する可能性がある。