波音利用超級計算機 Frontier 模擬湍流以提升飛機設計與燃油效率

設計一款更安全、更快速及更具燃油效率的飛機，取決於對物理學中最困難問題之一的認識：湍流，即混亂的氣流。為了應對這一挑戰，波音的研究人員利用美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）首個超級計算機 Frontier 進行模擬，探討冰層積聚和微觀湍流如何影響飛機在關鍵飛行階段（例如著陸）時的性能。這些模擬預計將幫助工程師改進飛機設計，解釋風洞實驗中令人困惑的結果，並加速開發更具燃油效率的飛機。

即使是小幅的空氣動力學改進，也能帶來可觀的差異。根據航空公司的研究，在巡航飛行中僅減少 1% 的空氣阻力，就能降低 0.75% 的燃油消耗，從而降低航空公司的運營成本，並可能減少票價。

湍流的挑戰與影響

湍流仍然是物理學中最具挑戰性的問題之一。飛機周圍的氣流不斷在平穩、有序的運動和混亂的湍流之間切換。準確預測這種轉變何時及如何發生，仍然是流體力學中最大的未解挑戰之一。其困難之處在於大量的空氣分子在飛機表面附近相互作用。研究人員長期以來專注於邊界層，即最接近機翼的薄層氣流，在這裡，微小的氣流變化決定了飛機所遭受的阻力。捕捉這些相互作用需要對氣流進行幾乎微觀尺度的模擬。

然而，工程師納入的細節越多，計算的計算需求就越高。

飛機的空氣動力學通常通過風洞、飛行測試及計算流體動力學（CFD）模擬進行研究。風洞測試和飛行實驗提供了寶貴的數據，但成本高且耗時。CFD 則提供了一個更快速的替代方案，將飛機劃分為包含數億個微小單元的數字網格，其中一些僅有幾毫米。該軟件計算每個單元的氣流特性，包括壓力、速度和溫度，然後將其組合成飛機周圍氣流的完整圖像。大多數工程師依賴於雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）模擬，該方法估算湍流，而不是計算每一個氣流漩渦。

這種方法足夠快速，可用於完整的飛機模擬，但無法準確捕捉快速變化的湍流。

超級計算機 Frontier 的貢獻

更高精度的方法提供了更大的準確性，但需要極大的計算能力。這正是 Frontier 發揮作用的地方。該超級計算機每秒能進行 2 誇脫（quintillion）次計算，使波音能夠運行在傳統工業系統上需要幾個月才能完成的模擬。研究人員利用該系統研究不同冰形狀和質地對機翼性能的影響，並以比以往更高的細節模擬湍流。這些模擬還幫助評估飛機的除冰系統，並解釋以前未解釋的風洞觀察結果。

根據波音的說法，這些高精度模型預測飛機的升力係數誤差僅為 1%，使工程師更有信心將有前景的設計推向生產。該團隊相信，這些發現將有利於更廣泛的航空航天行業，因為這些模擬方法是基於一個廣泛研究的飛機模型，其他研究人員可以在此基礎上改進未來的飛機設計。

超級計算機在航空設計中的重要性

波音利用 Frontier 超級計算機進行湍流模擬，顯示出高效計算在航空設計中的關鍵作用。湍流的複雜性使得傳統方法難以準確預測，這限制了飛機性能的提升。Frontier 的計算能力使得研究人員能夠進行更精細的模擬，從而改進飛機設計和燃油效率。這不僅有助於降低航空公司的運營成本，還可能影響未來航空技術的發展，促進整個行業的進步。