Neue Flugzeugkonstruktionen mit Supercomputer-Simulationen
Die Luftfahrt ist ein wesentlicher Bestandteil der modernen Gesellschaft. Aufgrund zunehmender Bedenken über die Auswirkungen des Fliegens auf die Umwelt arbeitet die Branche an der Optimierung von Flugzeugen, damit sie leiser und auch leichter und aerodynamischer sind, um den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen zu reduzieren. Die Konstruktion von Flugzeugen ist extrem komplex und erfordert Sachwissen aus verschiedenen Bereichen, darunter Aerodynamik, Strukturdesign und Akustik. Außerdem müssen bei der Prüfung neuer Konstruktionen meist teure Windkanäle genutzt und Testflüge durchgeführt werden. In der europäischen Luftfahrtindustrie besteht eindeutig ein Bedarf an digitalen Möglichkeiten für virtuelle Tests. Über das Projekt NextSim sollten die aktuellen Möglichkeiten mit numerischen Methoden für die Berechnung der Strömungsdynamik (CFD, computational fluid dynamics) ausgebaut werden, einem kritischen Bereich der Luftfahrtentwicklung. In diesem Sinne wurde der numerische Strömungslöser CODA (ein Werkzeug zur Simulierung des Strömungsverhaltens) entwickelt und freigegeben. CODA ist zur Ausführung auf den europäischen Hochleistungsrechnern (HPC) der nächsten Generation ausgerichtet. „Das Team hat aktuelle CFD-Werkzeuge umgestaltet und fortschrittliche parallele Rechenplattformen genutzt, um den Konstruktionsprozess zu optimieren, die Vorlaufzeit zu verkürzen und die Effizienz der virtuellen Modelle auszubauen“, erklärt Oriol Lehmkuhl, Gruppenleiter für rechnergestützte Strömungsdynamik am Barcelona Supercomputing Center und Projektkoordinator von NextSim. „Die Arbeit steht im Einklang mit den Zielen der Europäischen Union für mehr Nachhaltigkeit und weniger Emissionen in der Luftfahrt“, sagt er.
Simulationen der nächsten Generation
Das Projekt wurde um eine Reihe an industriell relevanten Testfällen organisiert. Diese betreffen die Aerodynamik von Langstreckenflugzeugen im Reiseflug und bei Bedingungen, bei denen hoher Antrieb erforderlich ist (wie Start und Landung), sowie den Abgasstrom von Düsentriebwerken. An diesen Testfällen wurde die erste Planung des Projekts ausgerichtet. Alle Werkzeuge und Produkte aus dem Projekt wurden in diesen Szenarien getestet, um ihr Potenzial nachzuweisen. Zu den Simulationen aus dem Projekt gehören die Analyse des Triebwerksabgasstroms, um die Schadstoff- und Lärmbelastung zu reduzieren, und das High-Lift Common Research Model, an dem die Strömung über die Tragflächen bei Start und Landung erkennbar sind. Dank NextSim können diese jetzt schneller und erheblich genauer berechnet werden.
Erreichte Meilensteine
Das Projekt wurde mit Unterstützung des Gemeinsamen Unternehmens für europäisches Hochleistungsrechnen (GU EuroHPC) durchgeführt, einer Initiative, die zur Entwicklung eines Ökosystems für Hochleistungsrechnen von Weltrang in Europa gegründet wurde. „An den erzielten Erfolgen ist die enorme Wirkung des Projekts auf die Luftfahrtindustrie erkennbar“, ergänzt Lehmkuhl. „CODA gilt jetzt als Referenzlöser für aerodynamische Anwendungen bei Airbus. Das hat enorme Auswirkungen auf den Markt für Aeronautik“, berichtet er. „Im Projekt wurden auch marktrelevante Herausforderungen von Airbus thematisiert. Dabei wurde gezeigt, dass es machbar ist, komplexe Probleme mit hoher Präzision und Berechnungseffizienz zu lösen.“ Auch in den Bereichen Entwicklung von Algorithmen, Datenverwaltung und Optimierung für fortschrittliche HPC-Plattformen wurden im NextSim-Projekt große Fortschritte erzielt. Das Team hat bestmögliche Verfahren und Leitlinien mit Interessengruppen aus der Industrie geteilt, um den Wissensaustausch und den Einsatz der innovativen Lösungen zu fördern. Neben den bedeutenden Fortschritten zu CFD-Simulationen wurden bei NextSim weitere Erfolge verzeichnet: der Ausbau aktueller numerischer Simulationswerkzeuge für die Flugzeugkonstruktion, die Erweiterung der HPC-Nutzung bei der Konstruktion aeronautischer Produkte, Verbesserungen der CFD-Software-Effizienz und die Überwindung bestehender Mängel, um die Zertifizierungskosten bis 2050 durch virtuelle Konstruktion und Simulation erheblich zu reduzieren. CODA wird dank der Ingenieursfachkräfte bei Airbus, dem DLR und Onera Ende 2024 in Produktion gehen.
Schlüsselbegriffe
NextSim, GU EuroHPC, Simulationen, Flugzeug, Konstruktion, numerische Methode für die Berechnung der Strömungsdynamik, Luftfahrt, HPC, Algorithmus
