“Si usted puede simular eso, usted puede comprender los puntos débiles”

Laramie, WY, 7 de junio – Cuando era niño, Dimitri Mavriplis construía modelos de aviones y se convirtió en conocedores de la industria a través de su padre, Fotis, quien fue gerente del departamento de aerodinámica en Bombardier Aerospace en Montreal, Quebec.

Por lo tanto, no es ninguna sorpresa que el profesor de la Universidad de Wyoming de  ingeniería mecánica  ya simula la aerodinámica de las alas de aviones, hélices de helicópteros y turbinas de viento – en un ordenador. Mavriplis trabaja con dinámica de fluidos computacional (CFD), una rama de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para analizar y resolver problemas de flujo de fluidos.

Tradicionalmente, en la industria aeroespacial se ha diseñado y probado las aeronaves que utilizan los túneles de viento. Por ejemplo, en la década de 1960, el desarrollo del Boeing 747 se requirieron  más de 20.000 horas de pruebas en túnel de viento, que era a la vez que consumidor de mucho tiempo y costoso, Mavriplis dice.

“Hoy en día, se simula la mayor parte  en el ordenador”, dice.

Sus simulaciones científicas y cálculos informáticos ampliarán este otoño, cuando se utilice el Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas (  NCAR  ) de Supercomputación de Wyoming Centro (  NWSC  ).

Objetivos Mavriplis de investigación incluyen la obtención de los efectos aerodinámicos más precisas mediante la resolución de detalles cada vez más finas de la turbulencia, siendo capaz de realizar simulaciones con efectos más realistas, ser capaz de ejecutar estas simulaciones más rápido y, finalmente, hacer lo que los ingenieros pueden hacer tales cálculos en las computadoras de escritorio o comprimidos; y quizás, eventualmente, tener de la Administración Federal de Aviación (FAA) la capacidad de certificar las aeronaves a través de los resultados de los modelos informáticos.

“Una cosa que los ordenadores más potentes que pueden hacer es resolver más detalles del flujo turbulento que se produce sobre las configuraciones de las aeronaves, lo que proporciona simulaciones más realistas de la aerodinámica que, a su vez, conducen a diseños más eficaces y eficientes”, dice Mavriplis, que recibió el subsidio la financiación del Ejército, Armada, Fuerza Aérea y la NASA para su investigación. “Si hacemos bien nuestro trabajo, podemos conseguir por lo menos un factor de 100 más de la NWSC de lo que podemos con el hardware disponible actualmente.”

En un ala y una computadora

Las pruebas de túnel de viento de la aerodinámica del avión en condiciones distintas se inició con los hermanos Wright, y es probable que continúe en el futuro previsible, dice Mavriplis. Sin embargo, los modelos de computadora – con dinámica de fluidos computacional – están sustituyendo gradualmente y reduciendo el tiempo de prueba del túnel de viento y el gasto, dice.

Mavriplis espera que el poder de la supercomputadora de cómputo en paralelo permitirá simulaciones más complejas, que son ya bastante intrincadas.

Mavriplis toma la información obtenida de un sistema CAD (diseño asistido por ordenador) y se basa, en el equipo, una rejilla o malla computacional en torno a esta geometría. La malla se compone de una gran colección de pequeñas células que rodean el cuerpo de la aeronave. En cada celda, el ordenador almacena un valor de densidad o de aire, presión y velocidad.

“Lo que sale de los flujos de una célula a otra. Para cada celda pequeña, tiene una ecuación, que depende de los valores de las células vecinas”, explica Mavriplis. “La red puede contener hasta 100 millones de células, que se traduce en 100 millones de ecuaciones acopladas que necesitan ser resueltos al mismo tiempo. Cuando estas ecuaciones se resuelven en un equipo de gran alcance, el campo de caudal que se obtiene, mostrando cómo (aire) se acerca al cuerpo de la aeronave. “

Uno de los problemas más importantes con los modelos informáticos a nivel de escritorio es tener la resolución suficiente o las células de malla para capturar todos los detalles finos de los remolinos causados ​​por la turbulencia, Mavriplis dice. Algunos remolinos puede ser tan grandes como el ala de un avión en sí, pero en cascada hacia abajo para remolinos cada vez más pequeños, que pueden ser decenas de miles de veces más pequeños que los mayores remolinos. Todos ellos son importantes para determinar el rendimiento aerodinámico de un avión, dice.

La capacidad de incorporar efectos adicionales, como la “flexión del ala debido a las cargas aerodinámicas,” en un modelo de computadora es un desarrollo más reciente que “ayuda a mejorar la precisión de nuestras simulaciones y hacerlas más realistas”, dice .

“No hay una respuesta definitiva. Las simulaciones por ordenador probablemente nunca reemplazarán (túnel de viento) la prueba por completo”, dice Mavriplis, que ha sido la Universidad de Wisconsin desde 2003 después de 16 años en el Centro Langley de la NASA. “Sin embargo, puede reemplazar cada vez más las pruebas, y realmente reducir el gasto y el tiempo de ciclo de diseño para el desarrollo de nuevos aviones. Es la mejora continua.”

Los helicópteros y turbinas de viento

Además de los aviones, la investigación de Mavriplis se extiende a helicópteros y turbinas de viento. La Universidad de Washington tiene una alianza con la Universidad de Maryland, Vertical del Centro de Investigación de elevación de Excelencia para estudiar la aerodinámica de los helicópteros.

Para la aerodinámica del helicóptero, una simulación de variables con el tiempo debe llevarse a cabo porque, a diferencia de las alas fijas de un avión, los rotores de un helicóptero se están convirtiendo, dice. Esto hace que modelos de computadora para un helicóptero duren mucho más tiempo.

“Es la diferencia entre una imagen fija y una película”, dice Mavriplis.

Mientras estudiaba las alas de los aviones y los rotores de los helicópteros que son dos cosas diferentes, la acción del viento de la turbina es similar a los helicópteros-aunque otros desafíos plantea en el caso de las turbinas eólicas, dice Mavriplis.

Debido a que las corrientes de viento no son constantes y hay ráfagas intermitentes, la aerodinámica de las turbinas eólicas deben tener en cuenta las variaciones en el flujo de viento atmosférico, dice. Pare que con los fuertes vientos de flexión y vibración en los álabes de la turbina, así como haciendo hincapié en las cajas de cambio, y esto crea otra área de la aerodinámica lista para la modelización por ordenador.

“Si usted puede simular eso, usted puede comprender los puntos débiles”, dice Mavriplis. “Se puede mejorar el diseño por lo que no falla.”

El NWSC es el resultado de una colaboración entre el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR), la Universidad de Wyoming  , el estado de Wyoming, Cheyenne LIDERA, el Consejo Empresarial de Wyoming, Cheyenne luz, combustible y energía, y la University Corporation for Atmospheric Investigación. NCAR es patrocinado por la National Science Foundation (  NSF  ).

El NWSC contendrá algunos de los superordenadores más potentes del mundo (1,6 petaflops, lo que equivale a 1,6 billones de operaciones informáticas por segundo) dedicada a mejorar la comprensión científica del cambio climático, clima severo, la calidad del aire y otras ciencias de la atmósfera vital y temas geo-ciencia . El centro también albergará un primer ministro de almacenamiento de datos (11 petabytes) y la instalación de archivos que contiene irremplazables registros históricos del clima y otra información.

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Fuente: Universidad de Wyoming

Fuente:  HPCWire