Las simulaciones por superordenador ayudan a esculpir nuevos diseños de aviones
La aviación es una parte fundamental de la sociedad actual. La creciente preocupación por el impacto medioambiental de los vuelos hace que la industria trabaje para optimizar los aviones y hacerlos más silenciosos, ligeros y aerodinámicos, reduciendo así el consumo de combustible y las emisiones de carbono. El diseño de aeronaves es una tarea extremadamente compleja que requiere la integración de conocimientos de múltiples disciplinas, como la aerodinámica, el diseño estructural y la acústica. La investigación de nuevos diseños suele requerir el uso de costosos túneles de viento y vuelos de prueba. En la industria aeronáutica europea existe una clara demanda de herramientas digitales que puedan actuar como instalaciones de pruebas virtuales. El equipo del proyecto NextSim se propuso aumentar las capacidades actuales en dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), un componente fundamental del diseño aeronáutico. Lo ha conseguido desarrollando y lanzando el solucionador numérico de flujos CODA (una herramienta para simular el comportamiento de los fluidos), adaptado para funcionar eficazmente en la próxima generación europea de máquinas de informática de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés). «Reestructurando las actuales herramientas de CFD y aprovechando las avanzadas plataformas de computación paralela, el equipo del proyecto pretendía agilizar el proceso de diseño, reducir los plazos de entrega y mejorar la eficacia de las maquetas virtuales», explica Oriol Lehmkuhl, director del grupo de dinámica de fluidos computacional a gran escala del Barcelona Supercomputing Center y coordinador del proyecto NextSim. «Estas iniciativas están en consonancia con los objetivos de la Unión Europea en materia de sostenibilidad de la aviación y reducción de emisiones», afirma.
Simulaciones de nueva generación
El proyecto se organizó en torno a una serie de casos de prueba de interés industrial, que abarcaban la aerodinámica de los aviones de largo alcance en vuelo de crucero y en condiciones que requieren una gran sustentación (como el despegue y el aterrizaje), así como el flujo de escape de los motores a reacción. Dichos casos de prueba impulsaron la planificación inicial del proyecto. Todas las herramientas y productos del proyecto se probaron también en estos escenarios para demostrar su potencial. Las simulaciones desarrolladas en el proyecto incluyen análisis del flujo de escape de los motores para reducir los contaminantes y el ruido de los aviones, y el modelo de investigación común de gran sustentación, que revela cómo fluye el aire sobre las alas de los aviones en condiciones de aterrizaje y despegue. Gracias al equipo de NextSim, ahora se pueden calcular más rápidamente y con mucha más precisión.
Avances importantes
El equipo del proyecto se llevó a cabo con el apoyo de la Empresa Común de Informática de Alto Rendimiento Europea (EC EuroHPC), una iniciativa creada para desarrollar un ecosistema de supercomputación de categoría mundial en Europa. «Los resultados obtenidos ponen de relieve la notable repercusión del proyecto en el sector de la aviación», añade Lehmkuhl. «CODA se posiciona ahora como un solucionador de referencia para aplicaciones aerodinámicas dentro del grupo Airbus, con implicaciones sustanciales para el mercado aeronáutico», señala. «Además, el proyecto ha abordado retos relevantes para el mercado definidos por Airbus, demostrando la viabilidad de resolver problemas complejos con gran precisión y eficiencia computacional». El equipo del proyecto NextSim también ha logrado avances significativos en el desarrollo de algoritmos, la gestión de datos y la optimización para plataformas HPC avanzadas. Se han compartido las mejores prácticas y directrices con las partes interesadas del sector para fomentar el intercambio de conocimientos y la adopción de soluciones innovadoras. Más allá de los grandes avances logrados en las simulaciones de CFD, otros logros de NextSim incluyen la mejora de las actuales herramientas de simulación numérica para el diseño aeronáutico, la expansión del uso de HPC en el bucle de diseño de productos aeronáuticos, mejoras en la eficiencia del «software» de CFD y la superación de las deficiencias existentes para reducir significativamente los costes de certificación de aquí a 2050 mediante el diseño y la simulación virtuales. CODA entrará en producción gracias al trabajo de los ingenieros de Airbus, DLR y Onera a finales de 2024.
Palabras clave
NextSim, EC EuroHPC, simulaciones, avión, diseño, dinámica de fluidos computacional, aeronáutica, HPC, algoritmo