超级计算机可帮助研究人员设计带有变形机翼或由复合材料制成的喷气机从而减少燃料消耗
2021-07-23 来源：唐山机械信息网
超级计算机可帮助研究人员设计带有变形机翼或由复合材料制成的喷气机，从而减少燃料消耗
正如我们对航空旅行的抱怨一样，事实是，在过去的60年中，飞行变得越来越便宜，更安全，更快甚至更环保。
与1950年代的首批喷气式客机相比，如今的飞机每乘客英里所消耗的燃料大约减少了80％，这证明了航空航天工程学对飞行的巨大影响。效率的提高将全球贸易扩展到了从经济上可行的程度，从鲜花到佛罗里达州的海牛都运送到全球各地中国机械网okmao.com。
尽管燃料燃烧效率不断提高，但由于空中交通量增加一倍，预计未来二十年全球排放量仍会增加，因此，即使对飞机的燃料效率进行很小的改进也会对经济和环境产生重大影响。
这种潜在的影响力促使乔阿奎姆·马丁斯（Joaquim Martins）-密歇根大学（UM）的航空工程师，领导多学科设计优化实验室–开发工具，使工程师能够设计出更高效的飞机。
马丁斯说：“交通运输是我们经济的支柱。您在燃料燃烧方面所能做出的任何改变，甚至是百分之一的零头，都将对世界产生很大的影响。” “我们的目标有两个：使航空运输在经济上更可行，同时减少对环境的影响。”
马丁斯使用得克萨斯州高级计算中心的Stampede超级计算机以及NASA和UM的计算系统，开发出了能够消耗更少燃料的改进机翼设计，以及帮助航空航天工业制造更高效飞机的工具。
他说：“我们正在弥合行业的学术实践和实用方法之间的鸿沟，他们将提出未来的设计。”
新颖的机翼设计可提高飞行效率
机翼设计的改进有可能将效率提高多达10％，从而降低成本和污染。此外，在正在应用新技术的领域（例如，由复合材料制成的机翼或在飞行过程中变形的机翼），改进的设计工具可以在缺乏直观理解的情况下提供见解。
Martins及其合作者Timothy Brooks（UM）和Graeme Kennedy（Georgia Tech）在2017年1月的美国航空航天学会（AIAA）科技论坛上作了发言，介绍了为优化采用新型复合材料和新兴建筑方法建造的机翼的设计而做出的努力。 。
当今的飞机采用了50％的复合材料，但是复合材料的放置方式相对简单。但是，新型自动纤维铺放机可以将复合材料放置在复杂的曲线中，从而形成所谓的牵引转向复合材料机翼。
马丁斯说：“这打开了设计空间，但设计师对此并不习惯。” “这具有挑战性，因为对于如何充分利用这项技术的潜力没有很多直觉。我们开发了用于优化这些拖曳角度的算法。”
他们发现，与传统的复合材料设计相比，牵引转向复合材料可以将飞机的结构重量降低10％，同时将燃油消耗降低0.4％。美国宇航局正在为美国宇航局的阿姆斯特朗飞行研究中心制造拖曳式机翼盒的原型进行规模测试。
另一个研究领域是使机翼变形的形状，无论飞行速度，高度和飞机重量如何，其形状都可以保持最佳性能。
Martins，David Burdette和Gaetan Kenway（均来自UM）在2016 AIAA科技论坛上介绍了一种变形设计的结果，该设计比目前的设计节省了2％的燃料。马丁斯还在《航空工程百科全书》中发表了有关“通过机翼变形减少燃油消耗”的一章，描述了该领域的潜在设计思想和优化方法。
他写道：“对新材料和变形机制的研究将使变形系统更轻，更节能，更经济。” “这只是时间问题，我们看到飞机机翼展现出今天看来不可能的变形能力。”
第三方面的研究涉及高宽比的新型机翼，其跨度比当今使用的翼展大得多。
马丁斯在2014年第15届AIAA / ISSMO多学科分析与优化会议上介绍了这种机翼的设计。波音公司对该模型进行了改编，并将于今年晚些时候在NASA兰利研究中心的跨音速动力学隧道中制造原型。
多学科设计优化
使用计算机模型设计飞机并不是什么新鲜事，但是在过去，研究要么使用低保真模型，要么将研究范围局限于机翼的空气动力学或其结构完整性。这些研究是在工程师组之间通过的，所得出的设计效率比其替代的效率更高，但不一定是最优的。
马丁斯使用另一种称为多学科设计优化的方法，该方法将许多因素和高保真模型结合到一个耦合的计算优化问题中。他说，这种方法比单学习方法可以带来更大的改进，但是它需要应用大型并行超级计算机，这些超级计算机能够运行复杂的计算，这些计算考虑了成百上千个设计变量，所有这些都是一并考虑的。
马丁斯说：“我们的问题需要100或1000个处理器，我们试图使每一次仿真的时间大约为几分钟，并且优化过程可以在8到48小时内收敛。”
他不是一次执行这些计算，而是进行数百次以得出最佳解决方案，并在可能的飞行条件下测试新设计的完整性。
他说：“计算流体动力学和计算结构力学要求很高。” “要解决我们的问题，我们绝对需要像Stampede这样的超级计算机。”
根据最新的Top500排行榜，在高性能计算系统中排名第一的是美国国家科学基金会（NSF）支持的Stampede，它目前是全球排名第17的超级计算机。在2017年晚些时候，TACC将首次亮相Stampede 2，其功能大约是其前任的两倍。
波音和美国国家航空航天局都在测试基于马丁斯优化建议的机翼设计的原型机，但他的研究的影响力超出了任何一种设计。Martins的算法提供了一种方法，可以将设计中涉及的许多复杂因素组合到单个计算过程中。他目前正在与巴西航空工业公司合作，评估自己开发的用于生产的算法。他还与庞巴迪公司，空中客车公司和波音公司讨论了其算法的实用性。
波音研究与技术公司技术研究员弗罗德·恩格森说：“机翼设计对于飞机制造行业实现最佳性能和负担得起的设计至关重要。” “华金·马丁斯教授通过在机翼设计中同时使用高保真空气动力学和结构模型建立了多学科的设计优化框架，从而提高了技术水平。”
最终，将马丁斯的算法应用于工业流程将需要额外的要素-例如，使用更大范围的飞行条件以确保飞机的安全，并与制造成本相集成以确认可以制造出更高效的飞机经济上。
但是，这种努力是值得的，因为对商业和人们的生活的影响是巨大的。
马丁斯说：“如果您考虑一下，您能以数百美元的价格飞越美国，真是不可思议。” “在过去的几十年中，机票价格已大幅下跌，这使人们能够去感恩节探望家人。而且，这是由更高效的飞机实现的。”
这项研究得到了美国宇航局的资助。美国国家科学基金会（NSF）通过ACI-1134872奖项慷慨地资助了Stampede。