Турбулентность. Это одно из немногих слов, способных заставить всех затянуть ремни безопасности и заставить салон замолчать.

Для пассажиров это может означать пролитый чай или сжатие подлокотника добела. Для инженеров и пилотов турбулентность представляет собой нечто гораздо более сложное: непредсказуемую, хаотичную силу, которая остаётся одним из самых сложных испытаний в авиации, сообщает «Aerospace Global News».

Теперь, благодаря новаторскому проекту, возглавляемому Университетом Колорадо в Боулдере, исследователи открывают новое окно в это невидимое и часто неправильно понимаемое явление.

Используя Aurora, один из самых мощных в мире суперкомпьютеров, расположенный в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, группа разрабатывает передовые модели, позволяющие изучить потоки воздуха вокруг самолетов в беспрецедентных подробностях.

В основе этих усилий лежит обманчиво простая цель: усовершенствовать конструкцию будущих самолетов, поняв, как воздух движется, завихряется и разделяется в полете, особенно вокруг таких ключевых конструкций, как вертикальное оперение.

Современные коммерческие самолёты оснащены большими вертикальными стабилизаторами для обеспечения безопасности в экстремальных ситуациях, таких как боковой ветер или отказ двигателя на взлёте. Эти редкие, но высокорисковые ситуации диктуют необходимость выбора размера хвостовой части. Однако для подавляющего большинства полётов хвостовая часть оказывается значительно больше, чем необходимо.

Из-за этого дополнительного размера возникает сопротивление. Сопротивление означает больший расход топлива, а больший расход топлива означает больше выбросов.

«Наша команда посчитала, что если мы сможем лучше понять физику потока, то сможем спроектировать меньший хвост, который по-прежнему будет эффективен в условиях наихудшего сценария», — объясняет Риккардо Балин, помощник специалиста по вычислениям в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF).

Уменьшение размера хвостовой части — даже незначительное — может означать создание более легкого и эффективного самолета с меньшим расходом топлива и выбросами в каждом полете.

Но для проектирования с такой точностью исследователям нужны инструменты, достаточно мощные, чтобы моделировать поток воздуха в полном масштабе. Вот тут-то и пригодится Aurora.

Aurora — суперкомпьютер эксафлопсного класса, способный выполнять более квинтиллиона вычислений в секунду; это 1 с 18 нулями.

Но дело не только в скорости. Дело в том, что эта скорость открывает возможности: сверхвысокоточное моделирование, которое раньше было невозможно.

Используя Aurora, команда создаёт сложные модели поведения воздуха вокруг самолёта в реальных условиях полёта. Для моделирования турбулентности они используют решатель HONEE, передавая результаты в системы машинного обучения в режиме реального времени.

Вместо того, чтобы хранить огромные объёмы данных для последующего анализа, система обучается в процессе моделирования. Это быстрее, эффективнее и идеально подходит для регистрации хаотичных вихревых структур турбулентного воздуха.

«Хотя это очень амбициозная цель, её достижение предполагает повышение точности и надёжности наших инструментов моделирования», — говорит Крис Роу, также помощник специалиста по вычислительным системам в ALCF. «Мы должны быть уверены в результатах, которые они предоставляют, и нам нужны вычислительные мощности, позволяющие моделировать более крупные и реалистичные геометрические объекты».

Турбулентность, как известно, трудно моделировать. Она не подчиняется предсказуемым правилам. Вихри и вихри взаимодействуют способами, которые не поддаются простому математическому описанию.

Чтобы справиться с этой проблемой, ученые используют модели подсеточного напряжения (SGS) — методы, которые оценивают, как ведут себя более мелкие, неразрешенные вихри, когда моделирование с полным разрешением невозможно.

Создание точных моделей SGS требует больших объемов высококачественных данных, а интерпретация этих данных требует глубоких знаний.

Это партнерство между данными и проектированием, в котором ИИ, физика и чистая вычислительная мощность объединяются для создания более безопасных и интеллектуальных самолетов.

В эпоху, когда авиация должна сокращать выбросы и одновременно повышать производительность, этот проект представляет собой значительный шаг вперёд. Он не изменит авиацию в одночасье, но закладывает основу для создания более эффективных, более точных самолётов, которые лучше гармонируют с окружающим воздухом.

И в следующий раз, когда вы почувствуете толчок в воздухе, вам, возможно, будет приятно узнать, что где-то, глубоко внутри суперкомпьютера, ведется детальное изучение турбулентности, которое большинство людей никогда не увидят, но которое принесет пользу всем.