Symulacje superkomputerowe pomagają tworzyć nowe projekty samolotów
Lotnictwo jest istotnym elementem dzisiejszego społeczeństwa. Rosnące obawy o wpływ latania na środowisko sprawiają, że branża pracuje nad optymalizacją samolotów, aby były cichsze, a także lżejsze i bardziej aerodynamiczne, co pozwoliłoby zmniejszyć zużycie paliwa i emisję dwutlenku węgla. Projektowanie samolotów jest niezwykle złożonym zadaniem, wymagającym integracji wiedzy z wielu dziedzin, w tym aerodynamiki, projektowania strukturalnego i akustyki. Co najważniejsze, badanie nowych projektów często wymaga użycia drogich tuneli aerodynamicznych i lotów testowych. W europejskim przemyśle lotniczym istnieje wyraźne zapotrzebowanie na narzędzia cyfrowe, które mogą działać jako wirtualny ośrodek testowy. Projekt NextSim miał na celu zwiększenie obecnych możliwości w zakresie obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), krytycznego elementu projektowania lotniczego. Osiągnięto to dzięki opracowaniu i wydaniu numerycznego solwera przepływu CODA, czyli narzędzia do symulacji zachowania płynów, który jest dostosowany do wydajnego działania na europejskich maszynach obliczeniowych wielkiej skali (HPC) nowej generacji. „Poprzez ponowne zaprojektowanie dotychczasowych narzędzi CFD i wykorzystanie zaawansowanych platform obliczeń równoległych zespół starał się usprawnić proces projektowania, skrócić czas realizacji i zwiększyć wydajność wirtualnych makiet” — wyjaśnia Oriol Lehmkuhl, lider grupy zajmującej się obliczeniową dynamiką płynów na dużą skalę w barcelońskim centrum superkomputerowym i koordynator projektu NextSim. „Wysiłki te są zgodne z celami Unii Europejskiej w zakresie zrównoważonego rozwoju lotnictwa i redukcji emisji” — dodaje.
Symulacje nowej generacji
Projekt został zorganizowany wokół zestawu testów o znaczeniu przemysłowym, obejmujących aerodynamikę samolotów dalekiego zasięgu w locie przelotowym i w warunkach wymagających dużej siły nośnej (takich jak start i lądowanie), a także przepływ spalin silników odrzutowych. Te przypadki testowe były podstawą wstępnego planowania projektu. Wszystkie narzędzia i produkty w ramach projektu zostały również przetestowane w tych scenariuszach, aby zademonstrować ich potencjał. Symulacje opracowane w ramach projektu obejmują analizę przepływu spalin silnika, co ma na celu zmniejszenie zanieczyszczeń i hałasu samolotu, oraz wspólny model badawczy dużej siły nośnej (HL-CRM), który pokazuje, jak powietrze przepływa wokół skrzydeł samolotu podczas lądowania i startu. Dzięki NextSim obliczenia te można teraz przeprowadzić szybciej i ze znacznie większą dokładnością.
Kolejne kamienie milowe
Projekt został zrealizowany przy wsparciu ze Wspólnego Przedsięwzięcia w dziedzinie Europejskich Obliczeń Wielkiej Skali (Wspólne Przedsięwzięcie EuroHPC), inicjatywy utworzonej w celu stworzenia w Europie światowej klasy ekosystemu superkomputerów. „Osiągnięte wyniki podkreślają niezwykły wpływ projektu na branżę lotniczą” — dodaje Lehmkuhl. „Program CODA pozycjonuje się teraz jako rozwiązanie referencyjne dla aplikacji aerodynamicznych w grupie Airbus, co ma istotny wpływ na rynek lotniczy” — zauważa. „Co więcej, projekt zajął się istotnymi rynkowo wyzwaniami zdefiniowanymi przez Airbus, demonstrując możliwość rozwiązywania złożonych problemów z wysoką dokładnością i wydajnością obliczeniową”. Projekt NextSim poczynił również znaczące postępy w opracowywaniu algorytmów, zarządzaniu danymi i optymalizacji dla zaawansowanych platform HPC. Najlepsze praktyki i wytyczne zostały udostępnione interesariuszom z branży w celu promowania wymiany wiedzy i przyjmowania innowacyjnych rozwiązań. Oprócz znaczących postępów w symulacjach CFD, inne osiągnięcia NextSim obejmują ulepszenie obecnych narzędzi do symulacji numerycznych w projektowaniu lotniczym, rozszerzenie wykorzystania HPC w pętli projektowej produktów lotniczych, poprawę wydajności oprogramowania CFD oraz przezwyciężenie istniejących niedociągnięć w celu znacznego obniżenia kosztów certyfikacji do 2050 r. poprzez wirtualne projektowanie i symulację. Oprogramowanie CODA wejdzie do produkcji dzięki pracy inżynierów firm Airbus, DLR i Onera pod koniec 2024 roku.
Słowa kluczowe
NextSim, Wspólne Przedsięwzięcie EuroHPC, symulacje, samolot, projektowanie, obliczeniowa dynamika płynów, lotnictwo, HPC, algorytm