Superpočítač nasimuloval prúdový motor s extrémnou presnosťou a odhalil rezervy jeho výdrže a spotreby paliva

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Simulácia turbíny zahŕňala 10 až 20 miliárd bodov mriežky.

• Výpočet riešil premenné s 10 na 17. stupňom voľnosti.

• Frontier dosahuje výkon 1,1 exaflops vďaka čipom AMD.

Hľadanie dokonalejšieho a úspornejšieho prúdového motora sa presunulo z fyzických aerodynamických tunelov do virtuálneho sveta exaflopových výpočtov. Výskumníci z University of Melbourne v úzkej spolupráci s GE Aerospace využili najvýkonnejší superpočítač na svete, Frontier, na simulácie bezprecedentného rozsahu. Tento projekt demonštruje silu moderného hardvéru pri riešení najzložitejších inžinierskych výziev.

Cieľom rozsiahleho výskumu bolo pochopiť, ako degradácia povrchu lopatiek turbín ovplyvňuje celkový výkon motora. Vysokotlakové turbíny (HPT) sú srdcom každého prúdového motora a pracujú v extrémnych podmienkach tlaku a teploty. Aj mikroskopické zmeny na ich povrchu, spôsobené opotrebením, môžu mať makroskopický a nákladný dopad na spotrebu paliva a životnosť.

Zdroj foto: Thomas Jelly, University of Melbourne in Australia

Hlavným problémom doterajších počítačových modelov bol obrovský rozdiel v mierkach, ktoré bolo treba simulovať. Lopatky turbíny sú relatívne veľké objekty, ale kľúčové povrchové zmeny, drsnosť a opotrebenie sa dejú na úrovni mikrometrov. Na presné zachytenie týchto javov sú potrebné výpočtové modely s takou zložitosťou a detailom, ktorá bola donedávna technicky nepredstaviteľná.

Tím pod vedením Dr. Richarda Sandberga využil masívny výkon Frontieru na simulácie, ktoré obsahovali 10 až 20 miliárd bodov mriežky. Počet stupňov voľnosti – teda premenných, ktoré musí počítač v každom kroku vyriešiť – dosiahol astronomickú hodnotu 10 na 17. (100 biliárd). Ide o úroveň detailu, ktorá umožňuje vidieť prúdenie vzduchu s presnosťou na jednotlivé turbulencie.

Tieto simulácie skúmali prúdenie vzduchu okolo lopatky pri Reynoldsovom čísle 590 000 a Machovom čísle 0,92. Vizualizácie odhalili kľúčové javy ako okamžitý tepelný tok na stenu a viskózny odpor na sacej strane lopatiek s mikroskopickou drsnosťou. Takýto detailný pohľad umožňuje inžinierom presne predpovedať aerotermálny výkon motora po rokoch prevádzky.

Zdroj foto: Thomas Jelly, University of Melbourne in Australia

Superpočítač Frontier, umiestnený v Oak Ridge National Laboratory v Tennessee, je na túto extrémne náročnú úlohu ako stvorený. Je to prvý stroj na svete, ktorý oficiálne prekonal bariéru exaflops, teda dokáže vykonať viac ako jeden kvintilión (10 na 18) výpočtov za sekundu. Tento výkon predstavuje nový míľnik v dejinách výpočtovej techniky.

Jeho hardvérová výbava je ohromujúca a spotrebuje energiu malého mesta. Systém pozostáva zo 74 skríň HPE Cray EX, ktoré ukrývajú 9 408 procesorov AMD EPYC. Hlavnú výpočtovú ťarchu však nesie 37 632 grafických akcelerátorov AMD Instinct, ktoré sú optimalizované pre vedecké výpočty.

Zdroj foto: Thomas Jelly, University of Melbourne in Australia

Celý tento kolosálny systém je prepojený pomocou 145 kilometrov špeciálnych sieťových káblov HPE Slingshot. Úložná kapacita systému dosahuje 700 petabajtov s rýchlosťou zápisu 5 terabajtov za sekundu, čo umožňuje ukladať obrovské množstvá dát zo simulácií. Pre ilustráciu výkonu: ak by každý z 8 miliárd ľudí na Zemi počítal 60 príkladov za minútu bez prestávky, trvalo by im štyri roky, kým by urobili to, čo Frontier zvládne za jedinú sekundu.

GE Aerospace je prvým priemyselným používateľom, ktorý získal prístup k tomuto štátnemu stroju na takýto druh výskumu. Výsledky priamo pomáhajú pri vývoji revolučnej architektúry motorov Open Fan, ktorá má znížiť emisie. Inžinieri teraz môžu vidieť detailnú fyziku turbulencií a hluku, ktorá bola predtým skrytá v "čiernej skrinke" menej presných modelov.

Greg Sluyter, senior inžinier v GE, zdôrazňuje, že tieto zistenia priamo ovplyvnia dizajn budúcich generácií turbín. Lepšie pochopenie vplyvu drsnosti povrchu umožní navrhnúť motory, ktoré si zachovajú vysokú účinnosť dlhšie aj pri opotrebení. To v konečnom dôsledku znamená ekologickejšie a úspornejšie lietanie pre letecké spoločnosti aj pasažierov.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ: Exaflopové simulácie umožňujú navrhovať trvácnejšie prúdové motory, čo priamo znižuje spotrebu paliva a emisie v letectve.

^{Zdroj: ornl.gov foto: depositphotos.com}

Zobrazit Galériu