波音利用超级计算机 Frontier 模拟湍流以提升飞机设计与燃油效率

设计一款更安全、更快速及更具燃油效率的飞机，取决于对物理学中最困难问题之一的认识：湍流，即混乱的气流。为了应对这一挑战，波音的研究人员利用美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）首个超级计算机 Frontier 进行模拟，探讨冰层积聚和微观湍流如何影响飞机在关键飞行阶段（例如着陆）时的性能。这些模拟预计将帮助工程师改进飞机设计，解释风洞实验中令人困惑的结果，并加速开发更具燃油效率的飞机。

即使是小幅的空气动力学改进，也能带来可观的差异。根据航空公司的研究，在巡航飞行中仅减少 1% 的空气阻力，就能降低 0.75% 的燃油消耗，从而降低航空公司的运营成本，并可能减少票价。

湍流的挑战与影响

湍流仍然是物理学中最具挑战性的问题之一。飞机周围的气流不断在平稳、有序的运动和混乱的湍流之间切换。准确预测这种转变何时及如何发生，仍然是流体力学中最大的未解挑战之一。其困难之处在于大量的空气分子在飞机表面附近相互作用。研究人员长期以来专注于边界层，即最接近机翼的薄层气流，在这里，微小的气流变化决定了飞机所遭受的阻力。捕捉这些相互作用需要对气流进行几乎微观尺度的模拟。

然而，工程师纳入的细节越多，计算的计算需求就越高。

飞机的空气动力学通常通过风洞、飞行测试及计算流体动力学（CFD）模拟进行研究。风洞测试和飞行实验提供了宝贵的数据，但成本高且耗时。CFD 则提供了一个更快速的替代方案，将飞机划分为包含数亿个微小单元的数字网格，其中一些仅有几毫米。该软件计算每个单元的气流特性，包括压力、速度和温度，然后将其组合成飞机周围气流的完整图像。大多数工程师依赖于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟，该方法估算湍流，而不是计算每一个气流漩涡。

这种方法足够快速，可用于完整的飞机模拟，但无法准确捕捉快速变化的湍流。

超级计算机 Frontier 的贡献

更高精度的方法提供了更大的准确性，但需要极大的计算能力。这正是 Frontier 发挥作用的地方。该超级计算机每秒能进行 2 夸脱（quintillion）次计算，使波音能够运行在传统工业系统上需要几个月才能完成的模拟。研究人员利用该系统研究不同冰形状和质地对机翼性能的影响，并以比以往更高的细节模拟湍流。这些模拟还帮助评估飞机的除冰系统，并解释以前未解释的风洞观察结果。

根据波音的说法，这些高精度模型预测飞机的升力系数误差仅为 1%，使工程师更有信心将有前景的设计推向生产。该团队相信，这些发现将有利于更广泛的航空航天行业，因为这些模拟方法是基于一个广泛研究的飞机模型，其他研究人员可以在此基础上改进未来的飞机设计。

超级计算机在航空设计中的重要性

波音利用 Frontier 超级计算机进行湍流模拟，显示出高效计算在航空设计中的关键作用。湍流的复杂性使得传统方法难以准确预测，这限制了飞机性能的提升。Frontier 的计算能力使得研究人员能够进行更精细的模拟，从而改进飞机设计和燃油效率。这不仅有助于降低航空公司的运营成本，还可能影响未来航空技术的发展，促进整个行业的进步。