Tecnologia Científica

A simulação de computador aprimorada pode construir aviões mais rápidos, mais limpos e mais baratos
Supercomputadores mais rápidos e melhor modelagem estão sendo combinados com túneis de vento otimizados e testes de vôo para projetar aviões comerciais da nova era.
Por Andrew Myers - 23/10/2021


Simulação dos redemoinhos turbulentos na asa de um avião comercial. | Imagem cortesia do Center for Turbulence Research at Stanford

Durante décadas, a colisão da indústria automobilística testou novos modelos quanto a considerações de segurança da maneira antiga: eles os colidiam continuamente. Foi lento e caro, mas funcionou. Hoje, esses testes deram lugar a simulações de computador que são tão confiáveis ​​que raramente, ou nunca, os engenheiros se surpreendem com o resultado de um teste do mundo real.

Mas não é o caso da indústria aeronáutica. A física de decolagem, pouso e voo em alta velocidade é muito mais complexa e as ferramentas de simulação atuais não podem antecipar totalmente o processo de design. “A simulação de um avião comercial em vôo é quase intratável até mesmo para o maior computador do mundo”, diz Parviz Moin , a professora Franklin P. e Caroline M. Johnson da Escola de Engenharia, professora de engenharia mecânica e diretora do Centro para Turbulence Research (CTR) em Stanford.

Ainda assim, os engenheiros aeronáuticos estão trabalhando para trazer precisão semelhante em seus modelos. E agora, Moin diz que ele e uma equipe de colaboradores descobriram que certas "quantidades-chave de interesse" para análise e projeto de engenharia - várias forças e momentos - podem ser previstas dentro da margem de precisão exigida pela indústria aeronáutica, com apenas um modesto cálculo computacional esforço. Eles podem fazer isso, dizem ele e seus colegas, incorporando avanços recentes em métodos numéricos e modelos físicos e aproveitando unidades de processamento gráfico super-rápidas e softwares maciçamente paralelos.

Kevin Griffin , um candidato a doutorado e membro do CTR, diz que sempre que você faz suposições de modelagem, você introduz o potencial de erro para simplificar o problema. “Mas, se as suposições do modelo forem fisicamente corretas, essas quantidades de interesse podem ser previstas com precisão e eficiência.”

Complexidade simplificada

Em um esforço concentrado para reduzir esse potencial de erro, mas ainda assim acelerar seus cálculos, a equipe introduziu novas simulações que melhoram muito a previsão de sustentação e arrasto da estrutura de um avião. Notavelmente, essas simulações são muito mais precisas do que os modelos anteriores que substituem, mas funcionam com a mesma rapidez.

Eles alcançaram seu avanço dividindo o problema em componentes matemáticos menores - isolando a área onde o ar e o avião se encontram da turbulência mais distante da superfície. A resolução computacional do fluxo de ar é mais difícil perto da “parede” onde o ar encontra o plano. Mas essas regiões também são mais universais. E, nessa replicabilidade, os pesquisadores encontraram a chave para maior precisão e velocidade.

Conceitualmente e computacionalmente, o fluxo de ar sobre a superfície de um avião é caótico e turbulento, como um rio de águas bravas, com redemoinhos girando e evoluindo rapidamente. Não é que modeladores, como Moin e seus colaboradores, não entendam qualitativamente como esses redemoinhos funcionam, mas calcular seu comportamento exige muito do computador - proibitivamente. Para acelerar os cálculos, eles simulam apenas os maiores redemoinhos, que carregam a grande maioria da energia cinética do fluxo e são mais gerenciáveis ​​computacionalmente para resolver.

Isso deixa os pequenos redemoinhos não contabilizados nas simulações, então Moin e sua equipe introduziram um segundo modelo para calcular seu efeito nos grandes redemoinhos. Essa abordagem em duas etapas é bem-sucedida e reduz muito a demanda computacional, porque os pequenos redemoinhos se comportam de maneira semelhante onde quer que ocorram, ao contrário dos grandes redemoinhos, que parecem muito diferentes em um rio de corredeiras e na superfície de um avião.

“Se você olhar a superfície de um avião sob um microscópio, não parece tão diferente no nariz ou na asa”, explica Griffin. “O fluxo de ar também é bastante semelhante onde quer que você olhe nas proximidades da superfície do avião. Isso nos permite modelar o comportamento em um local isolado e aplicá-lo em todos os lugares. ”

A indústria está observando esses avanços. A NASA e um importante parceiro industrial financiaram Konrad Goc , estudante de doutorado em Stanford na CTR, para estabelecer se a nova abordagem está pronta para ser usada no projeto de novos aviões comerciais.

“Descobrimos que nossas simulações têm uma precisão superior em comparação com as ferramentas existentes nos principais regimes de fluxo. Isso dará aos projetistas de aeronaves mais confiança em suas previsões de simulação, especialmente para configurações de pouso complexas ”, diz Goc.

Ficando hipersônico

A equipe de Stanford agora está trabalhando para estender suas simulações a aeronaves hipersônicas - aviões que voam a várias vezes a velocidade do som. Esse vôo é ainda mais difícil de modelar do que aqueles em velocidades mais lentas, mas os pesquisadores do CTR estão adaptando seus modelos de aeronaves convencionais à física complexa.

Enquanto um avião voa, o corpo da aeronave e o ar são travados em uma disputa de empurrões. O avião empurra o ar; o ar empurra de volta. Onde eles se encontram, as temperaturas aumentam. Quanto mais rápido o avião viaja, maior é o calor. Sem mitigar, o calor pode causar falhas catastróficas. “Por 70 anos”, diz Griffin, “os pesquisadores têm tentado prever matematicamente as cargas térmicas extremas que os veículos hipersônicos sofrem”. Com um progresso constante, soluções para problemas selecionados surgiram e foram aprimoradas, mas não havia uma abordagem única adequada para todos os casos.

Moin e Griffin e seu coautor, Lin Fu, publicaram recentemente um artigo em Proceedings of the National Academy of Sciences detalhando um modelo matemático da velocidade do fluxo em voo hipersônico que leva em conta a velocidade e os altos níveis de aquecimento encontrados em tal velocidades.

A sabedoria convencional na área diz que o ar tem um comportamento universal próximo à fuselagem, independentemente da velocidade, mas, diz Moin, essa teoria não funcionou bem nos modelos.

“Considerando o efeito desses redemoinhos turbulentos, tornamos o modelo mais preciso, mesmo quando há muito calor sendo gerado”, diz ele.

Eles descobriram que o fluxo de ar onde o avião e o ar se encontram muda nas velocidades hipersônicas de duas maneiras. (Os modelos anteriores não levaram em conta as duas mudanças.) O primeiro é o atrito, à medida que as moléculas e os átomos do ar deslizam contra os da fuselagem do avião. O segundo é a pressão gerada à medida que a velocidade do avião aumenta a força do ar contra a fuselagem. Maior pressão produz maior calor.

Esse deslizamento de moléculas umas contra as outras, como uma lixa, gera muito calor onde o ar e o avião se encontram, explica Griffin. Porém, quanto mais você se afasta dessa camada, o processo de aquecimento muda do atrito para a mistura, o que é um tipo diferente de problema matemático, acrescenta. O novo modelo antecipa, pela primeira vez, essa natureza dupla de atrito e compressão e as correntes de convecção que giram para longe da superfície do avião.

“Demonstramos uma precisão aprimorada em casos de teste canônicos, então agora é hora de aplicar nosso modelo a uma simulação de um veículo hipersônico real”, disse Griffin. “Estou otimista de que nosso modelo ajudará os designers a fazer previsões mais confiáveis, diminuindo os custos e tornando as viagens em alta velocidade mais acessíveis.”

“Em nosso grupo de pesquisa, sentamos em um banquinho com três pernas - física, matemática e ciência da computação. Todos os três devem estar alinhados para obter o resultado certo ”, disse Moin.

 

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