Wallenberg Academy Fellows

Dator simulerar turbulens runt flygplansvinge

Luftströmning i form av turbulens har stor betydelse för fordons bränsleförbrukning. Philipp Schlatter vill ta studier av turbulens till en ny nivå. Genom att utveckla en virtuell vindtunnel ska datorn visa hur en flygplansvinge kan utformas för att ge mindre luftmotstånd.

– Så här mycket detaljer kan du aldrig få från ett vindtunnelexperiment, säger Philipp Schlatter med blicken på datorskärmen.

En video visar en skog av virvlar som sticker upp från en yta, som spretiga trådar i en tät matta. Virvlarna är en simulering av turbulenta luftströmmar – motsvarande hur vinden träffar en del av en flygplansvinge. Varje virvel är en beräknad luftström, färgad efter hur snabbt luften rör sig.

I datorn kan Philipp Schlatter vrida på ytan, granska detaljer och förstå mer om luftströmmarnas rörelser. För trots att turbulens är klassisk fysik som beräknas med ekvationer kända sedan länge, vet vi fortfarande inte riktigt varför turbulens uppstår och hur dess beteende kan förutsägas. Och att kunna det är viktigt inte minst inom många delar av industrin.

– En stor del av bränsleförbrukningen hos bilar och flygplan går till att övervinna luftmotstånd av turbulent strömning. För att kunna designa fordon på ett optimalt sätt är det viktigt att förstå turbulens, säger Philipp Schlatter.

Flyttar vindtunneln till datorn

Ett sätt att studera luftströmmar runt ett föremål är att använda en vindtunnel. En fläkt sätter luften i rörelse runt testföremålet, till exempel en modell av en bil eller en del av ett flygplan, som försetts med sensorer för att mäta flödet. Men att bygga en modell, mäta, justera modellen och testa igen är en tidsödande process.

De senaste 20 åren har därför datorer börjat användas för att simulera turbulens. Beräkningarna är väldigt krävande och hittills har man bara kunnat studera turbulens vid relativt låga hastigheter eller över små delar av ett fordon.

Som Wallenberg Academy Fellow vill Philipp Schlatter ta datorsimuleringar av turbulens ett steg längre. Han ska simulera strömningarna runt en hel flygplansvinge i en virtuell vindtunnel.

”Anslaget ger mig möjlighet att fokusera på ett enskilt projekt under flera år och anställa personer som kan arbeta med precis det. Dessutom är det väldigt givande att få ett nätverk där jag kan interagera med andra forskare i samma situation.”

– Vi vill erbjuda ett alternativ till vindtunnelexperiment, visa att de går lika bra att göra i datorn. Kanske bättre, eftersom sensorerna är en begränsning och kan störa strömningen, säger han.

Tufft jobb även för superdator

Simuleringarna innebär att ytan på en datormodell av föremålet delas upp i ett rutnät med punkter. I dem beräknar datorn luftströmningen. För simulering av en flygplansvinge uppskattar Philipp Schlatter att det krävs ungefär 100 miljarder punkter. Men antalet beräkningar som krävs är betydligt fler.

De fysikaliska lagar som styr strömning ger nämligen komplicerade ekvationer, som i regel inte kan lösas exakt. Forskarna måste därför använda så kallade numeriska metoder, där systematiska delberäkningar ger en lösning som är tillräckligt nära den exakta. Inte ens för de superdatorer forskarna använder är det gjort i en handvändning.

– Simuleringen av vingen kommer att ta tre, fyra månader – det brukar vara så när man ligger på gränsen till vad som är möjligt med tanke på datorkapaciteten. Nu kör vi med ungefär 100 000 processorer, men vi vill köra på 500 000 eller en miljon processorer samtidigt, säger Philipp Schlatter.

En vanlig laptop för hemmabruk har ofta två till fyra processorkärnor.
När simuleringen är gjord återstår att hantera och analysera de stora datamängder som genereras, i storleksordningen några terabyte data.

Viktigt att räkna rätt och snabbt

För att nå sitt mål måste Philipp Schlatter optimera alla steg i simuleringsprocessen. Dels själva beräkningarna, till exempel genom att bara använda precis så många beräkningspunkter som är nödvändigt för att få den noggrannhet som krävs, och fördela dem smart över ytan. Dels säkerställa att beräkningarna kan köras effektivt på så många processorer samtidigt.

– I princip handlar det om att göra simuleringen så snabb som möjligt. Men samtidigt vill vi ha så mycket detaljer som möjligt. Vi vill inte använda turbulensmodeller som många arbetar med idag, där virvlarna förenklas med matematiska metoder, säger han.

Jämför med experiment i vindtunnel

Under projektet går forskarna från enklare simuleringar till mer komplexa. Datorsimuleringarna jämförs med fysiska experiment i en vindtunnel för att garantera samma resultat.

Vindtunnelförsöken organiseras av en kollega på KTH. Själv håller sig Philipp Schlatter till de teoretiska delarna, vilket var det som lockade honom med strömningsmekanik redan under maskinteknikstudierna i Schweiz. Hans fascination för flygplan bidrog också.

– Jag gillar flygplan, blev nästan militärpilot som ung. Och så är jag intresserad av datorer. Att arbeta med numeriska simuleringar av strömningar är en bra kombination, säger han.

Philipp Schlatter kom till KTH redan för att göra sitt examensarbete. Han doktorerade sedan i Zürich men återkom som postdok. Han trivdes direkt med forskarkollegorna och konstaterar att det i Sverige finns god tillgång till datorkraft, som är en förutsättning för hans forskning. Men en sak saknar han.

– Att ha berg runt mig! Men Schweiz är nära och jag har inget emot att flyga. Jag sätter mig alltid vid fönstret, tittar ut och försöker hitta strömningsmönster på vingarna, säger han.

Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström