Algorithmen der nächsten Generation für einen konkurrenzfähigeren Luft- und Raumfahrtsektor
„Wir brauchen eine neue Generation von Werkzeugen für die numerische Strömungsmechanik, die das Beste aus Systemen mit einem Exaflop herausholen können, und, in der nahen Zukunft, die Möglichkeiten von Exa-Systemen optimal nutzen.“
Prototyperstellung, Testkampagnen im Windtunnel und Flugtests im Realmaßstab verursachen enorme Forschungs- und Entwicklungskosten in der Luft- und Raumfahrt. Eine Verlagerung dieser Tests in den digitalen Raum – also die Nutzung numerischer Strömungsmechanik – erlaubt eine wesentliche Senkung der Testkosten sowie eine beachtliche Verkürzung der Zeit bis zur Markteinführung. Leider halten diese Modelle nicht mit zunehmender Rechenleistung Schritt, was den Einzug dieser dringend benötigten Ressourcen in den Flugzeugbau vereitelt. „Wir brauchen eine neue Generation von Werkzeugen für die numerische Strömungsmechanik, die das Beste aus Systemen mit einem Exaflop herausholen können, und, in der nahen Zukunft, die Möglichkeiten der Exa-Systeme, die in weniger als drei Jahren verfügbar sein sollen, optimal nutzen“, so Oriol Lehmkuhl, Leiter der Gruppe für numerische Strömungsdynamik im Großmaßstab am Barcelona Supercomputing Center. Über NextSim versprechen Projektkoordinator Lehmkuhl und sein Team eine Reihe neuer Algorithmen mit verbesserter Konvergenz und erhöhter Genauigkeit. Wie er weiter erläutert, „wird die Forschung von NextSim die Basisalgorithmen von luftfahrttechnischen Simulationslösern untersuchen und verbessern. Wir haben uns vorgenommen, die Rechenzeit für eine 3D-Flugzeugsimulation auf weniger als eine Stunde zu reduzieren, und die Lösung instationärer skalenauflösender 3D-Turbulenzsimulationen, was sehr komplexe Aufgaben sind, innerhalb einer Nacht zur Verfügung zu stellen. Damit wird die Flugzeugkonstruktion in geringerer Zeit zu weitaus mehr optimierten Ergebnissen gelangen.“ Das Projekt fügt sich optimal in die aktuelle Situation ein, in der verstärkt auf numerische Strömungsmechanik zurückgegriffen wird und die Nachfrage nach umfassenderen und weitgreifenderen Simulationen seitens der Industrie steigt. Für die Berechnung von Problemen mit industrieller Relevanz benötigen vorhandene numerische Werkzeuge äußerst viel Zeit. Außerdem sind die Lösungen bei Betrachtung extremer Flugbedingungen nicht zuverlässig und genau genug. Lehmkuhl merkt an, dass „diese Schwächen die Industrie daran hindern, virtuelle Werkzeuge umfassend in Konstruktion und Zertifizierung einzusetzen. Dies gilt nicht nur für die Luft- und Raumfahrt, sondern auch für die Automobilindustrie, die Windenergiebranche, die Antriebstechnik, die additive Fertigung und viele weitere.“ Ein zentrales Unterfangen von NextSim wird die Demonstration seiner Verfahren für von Projektpartner Airbus definierte marktrelevante Probleme sein. Die Projektforschung ist zwar auf aeronautische Themen, wie Emissionsminderung, Sicherheit, Geräuschentwicklung und Leistung ausgerichtet, wird sich aber auf jeden Sektor übertragen lassen, dessen Konstruktionsarbeit sich auf numerische Diskretisierung und Integration partieller Differentialgleichungen stützt.
Schlüsselbegriffe
NextSim, HPC, Hochleistungsrechnen, Supercomputer, Technologien, digitale Souveränität, Quanteninformatik, Innovation, umweltfreundliche Computersysteme, energieeffizient, KMU